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Come i ricercatori studiano il cervello umano in isolamento dal corpo
Come i ricercatori studiano il cervello umano in isolamento dal corpo
Anonim

Come gli scienziati creano modelli del cervello umano e quali questioni etiche sollevano tale ricerca.

Come i ricercatori studiano il cervello umano in isolamento dal corpo
Come i ricercatori studiano il cervello umano in isolamento dal corpo

La rivista Nature ha pubblicato L'etica della sperimentazione con il tessuto cerebrale umano, una lettera collettiva di 17 principali neuroscienziati del mondo, in cui gli scienziati hanno discusso dei progressi nello sviluppo di modelli di cervello umano. I timori degli specialisti sono i seguenti: probabilmente nel prossimo futuro i modelli diventeranno così avanzati che cominceranno a riprodurre non solo la struttura, ma anche le funzioni del cervello umano.

È possibile creare "in provetta" un pezzo di tessuto nervoso che abbia coscienza? Gli scienziati conoscono la struttura del cervello degli animali nei minimi dettagli, ma non hanno ancora capito quali strutture "codificano" la coscienza e come misurare la sua presenza, se stiamo parlando di un cervello isolato o della sua somiglianza.

Cervello in acquario

“Immagina di svegliarti in una camera di deprivazione sensoriale isolata - non c'è luce, nessun suono, nessuno stimolo esterno intorno. Solo la tua coscienza, sospesa nel vuoto."

Questa è l'immagine degli esperti di etica che commentano una dichiarazione del neuroscienziato della Yale University, Nenad Sestan, secondo cui la sua squadra è stata in grado di mantenere in vita un cervello di maiale isolato per 36 ore.

I ricercatori stanno mantenendo in vita il cervello di maiale al di fuori del corpo Il rapporto di un esperimento riuscito è stato fatto durante una riunione del Comitato etico del National Institutes of Health degli Stati Uniti alla fine di marzo di quest'anno. Utilizzando un sistema di pompaggio riscaldato chiamato BrainEx e un sostituto del sangue sintetico, i ricercatori hanno mantenuto la circolazione dei fluidi e l'apporto di ossigeno ai cervelli isolati di centinaia di animali uccisi in un macello un paio d'ore prima dell'esperimento, ha detto.

Gli organi sono rimasti vivi, a giudicare dalla persistenza dell'attività di miliardi di singoli neuroni. Tuttavia, gli scienziati non possono dire se i cervelli di maiale posti nell'"acquario" conservassero segni di coscienza. L'assenza di attività elettrica, testata in modo standardizzato mediante un elettroencefalogramma, ha convinto Sestan che "questo cervello non si preoccupa di nulla". È possibile che il cervello isolato dell'animale fosse in coma, il che, in particolare, potrebbe essere facilitato dai componenti della soluzione che lo lavano.

Gli autori non rivelano i dettagli dell'esperimento: stanno preparando una pubblicazione su una rivista scientifica. Tuttavia, anche il rapporto di Sestan, povero di dettagli, ha suscitato grande interesse e molte speculazioni sull'ulteriore sviluppo della tecnologia. Sembra che preservare il cervello non sia tecnicamente molto più difficile che preservare qualsiasi altro organo per il trapianto, come il cuore o il rene.

Ciò significa che teoricamente è possibile preservare il cervello umano in uno stato più o meno naturale.

I cervelli isolati potrebbero essere un buon modello, ad esempio, per la ricerca sui farmaci: dopo tutto, le restrizioni normative esistenti si applicano alle persone viventi e non ai singoli organi. Tuttavia, da un punto di vista etico, qui sorgono molte domande. Anche la questione della morte cerebrale rimane una "zona grigia" per i ricercatori - nonostante l'esistenza di criteri medici formali, ci sono una serie di condizioni simili, da cui è ancora possibile un ritorno alla normale attività di vita. Cosa possiamo dire della situazione quando affermiamo che il cervello rimane vivo. E se il cervello, isolato dal corpo, continuasse a conservare alcuni o tutti i tratti della personalità? Quindi è del tutto possibile immaginare la situazione descritta all'inizio dell'articolo.

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Dove si nasconde la coscienza

Nonostante il fatto che fino agli anni '80 del XX secolo ci fossero sostenitori della teoria del dualismo, che separa l'anima dal corpo, tra gli scienziati, nel nostro tempo anche i filosofi che studiano la psiche concordano sul fatto che tutto ciò che chiamiamo coscienza è generato dal cervello materiale (storia La domanda può essere letta in modo più dettagliato, ad esempio, in questo capitolo Dov'è la coscienza: storia del problema e prospettive di ricerca dal libro del premio Nobel Eric Kandel "Alla ricerca della memoria").

Inoltre, con tecniche moderne come la risonanza magnetica funzionale, gli scienziati possono monitorare quali aree del cervello vengono attivate durante esercizi mentali specifici. Tuttavia, il concetto di coscienza nel suo insieme è troppo effimero e gli scienziati non sono ancora d'accordo sul fatto che sia codificato da un insieme di processi che si verificano nel cervello o se alcuni correlati neurali ne siano responsabili.

Come dice Kandel nel suo libro, nei pazienti con emisferi cerebrali separati chirurgicamente, la coscienza è divisa in due, ognuna delle quali percepisce un'immagine indipendente del mondo.

Questi e casi simili della pratica neurochirurgica indicano almeno che per l'esistenza della coscienza non è richiesta l'integrità del cervello come struttura simmetrica. Alcuni scienziati, tra cui lo scopritore della struttura del DNA Francis Crick, che alla fine della sua vita si interessò alle neuroscienze, ritengono che la presenza della coscienza sia determinata da specifiche strutture nel cervello.

Forse questi sono alcuni circuiti neurali, o forse il punto è nelle cellule ausiliarie del cervello - gli astrociti, che negli esseri umani, rispetto ad altri animali, sono piuttosto altamente specializzati. In un modo o nell'altro, gli scienziati sono già arrivati al punto di modellare singole strutture del cervello umano in vitro ("in vitro") o anche in vivo (come parte del cervello degli animali).

Svegliati in un bioreattore

Non si sa quanto presto arriveranno esperimenti su cervelli interi estratti dal corpo umano: in primo luogo, neuroscienziati ed etici devono concordare le regole del gioco. Tuttavia, nei laboratori nelle piastre di Petri e nei bioreattori, l'aumento delle culture del cervello umano tridimensionale stanno già crescendo "mini-cervelli" che imitano la struttura del "grande" cervello umano o delle sue parti specifiche.

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Nel processo di sviluppo dell'embrione, i suoi organi si formano fino a determinate fasi secondo un programma inerente ai geni secondo il principio dell'auto-organizzazione. Il sistema nervoso non fa eccezione. I ricercatori hanno scoperto che se nella coltura di cellule staminali viene indotta la differenziazione in cellule del tessuto nervoso con l'aiuto di determinate sostanze, ciò porta a riarrangiamenti spontanei nella coltura cellulare, simili a quelli che si verificano durante la morfogenesi del tubo neurale embrionale.

Le cellule staminali indotte in questo modo "di default" si differenziano alla fine in neuroni della corteccia cerebrale, tuttavia, aggiungendo molecole di segnalazione dall'esterno a una capsula di Petri, ad esempio, si possono ottenere cellule del mesencefalo, dello striato o del midollo spinale. Si è scoperto che un meccanismo intrinseco di corticogenesi da cellule staminali embrionali può essere coltivato in un piatto, una vera e propria corteccia, proprio come nel cervello, costituita da più strati di neuroni e contenente astrociti ausiliari.

È chiaro che le culture bidimensionali rappresentano un modello altamente semplificato. Il principio di auto-organizzazione del tessuto nervoso ha aiutato gli scienziati a passare rapidamente a strutture tridimensionali chiamate sferoidi e organelli cerebrali. Il processo di organizzazione dei tessuti può essere influenzato da cambiamenti nelle condizioni iniziali, come la densità iniziale della coltura e l'eterogeneità cellulare, e da fattori esogeni. Modulando l'attività di alcune cascate di segnalazione, è persino possibile ottenere la formazione di strutture avanzate nell'organoide, come la coppa ottica con l'epitelio retinico, che reagisce alla luce diversità cellulare e dinamiche di rete negli organoidi del cervello umano fotosensibile.

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L'uso di un vaso speciale e il trattamento con fattori di crescita hanno permesso agli scienziati di ottenere intenzionalmente modellare lo sviluppo corticale umano in vitro utilizzando cellule staminali pluripotenti indotte - un organoide cerebrale umano corrispondente al proencefalo (emisferi) con una corteccia, il cui sviluppo, a giudicare da l'espressione di geni e marcatori, corrispondeva al primo trimestre di sviluppo fetale…

E gli scienziati di Stanford, guidati da Sergiu Pasca, hanno sviluppato neuroni corticali funzionali e astrociti da cellule staminali pluripotenti umane in coltura 3D, un modo per far crescere ciuffi che imitano il proencefalo proprio in una capsula di Petri. La dimensione di tali "cervelli" è di circa 4 millimetri, ma dopo 9-10 mesi di maturazione, i neuroni corticali e gli astrociti in questa struttura corrispondono al livello di sviluppo postnatale, cioè al livello di sviluppo del bambino immediatamente dopo la nascita.

È importante sottolineare che le cellule staminali per la crescita di tali strutture possono essere prelevate da persone specifiche, ad esempio da pazienti con malattie geneticamente determinate del sistema nervoso. E i progressi dell'ingegneria genetica suggeriscono che presto gli scienziati saranno in grado di osservare in vitro lo sviluppo del cervello di un Neanderthal o Denisovan.

Nel 2013, i ricercatori dell'Istituto per la biotecnologia molecolare dell'Accademia austriaca delle scienze hanno pubblicato un articolo Gli organoidi cerebrali modellano lo sviluppo del cervello umano e la microcefalia, descrivendo la coltivazione di un "cervello in miniatura" da due tipi di cellule staminali in un bioreattore, che imita il struttura dell'intero cervello umano.

Diverse zone dell'organoide corrispondevano a diverse parti del cervello: posteriore, media e anteriore, e il "proencefalo" mostrava persino un'ulteriore differenziazione in lobi ("emisferi"). È importante sottolineare che in questo mini-cervello, che non superava nemmeno alcuni millimetri di dimensioni, gli scienziati hanno osservato segni di attività, in particolare fluttuazioni nella concentrazione di calcio all'interno dei neuroni, che servono come indicatore della loro eccitazione (puoi leggere in dettaglio su questo esperimento qui).

L'obiettivo degli scienziati non era solo riprodurre l'evoluzione del cervello in vitro, ma anche studiare i processi molecolari che portano alla microcefalia, un'anomalia dello sviluppo che si verifica, in particolare, quando un embrione viene infettato dal virus Zika. Per questo, gli autori del lavoro hanno coltivato lo stesso mini-cervello dalle cellule del paziente.

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Nonostante i risultati impressionanti, gli scienziati erano convinti che tali organelli non fossero in grado di realizzare nulla. Innanzitutto, il vero cervello contiene circa 80 miliardi di neuroni e l'organoide cresciuto contiene diversi ordini di grandezza in meno. Quindi, un mini-cervello semplicemente non è fisicamente in grado di svolgere pienamente le funzioni di un vero cervello.

In secondo luogo, a causa delle peculiarità dello sviluppo "in vitro", alcune delle sue strutture erano situate in modo piuttosto caotico e formavano connessioni errate e non fisiologiche l'una con l'altra. Se il mini-cervello ha pensato qualcosa, era chiaramente qualcosa di insolito per noi.

Per risolvere il problema dell'interazione dei dipartimenti, i neuroscienziati hanno proposto di modellare il cervello a un nuovo livello, chiamato "assembloidi". Per la loro formazione, gli organelli vengono prima coltivati separatamente, corrispondenti a singole parti del cervello, e quindi vengono fusi.

Questo approccio gli scienziati hanno utilizzato l'Assemblaggio di sferoidi proencefalo umani funzionalmente integrati per studiare come i cosiddetti interneuroni, che appaiono dopo la formazione della massa dei neuroni per migrazione dal proencefalo adiacente, sono incorporati nella corteccia. Gli assimbloidi ottenuti da due tipi di tessuto nervoso hanno permesso di studiare disturbi nella migrazione degli interneuroni in pazienti con epilessia e autismo.

Svegliati nel corpo di qualcun altro

Nonostante tutti i miglioramenti, le capacità del cervello nel tubo sono fortemente limitate da tre condizioni fondamentali. Innanzitutto, non hanno un sistema vascolare che consenta loro di fornire ossigeno e sostanze nutritive alle loro strutture interne. Per questo motivo, la dimensione dei mini-cervelli è limitata dalla capacità delle molecole di diffondersi attraverso i tessuti. In secondo luogo, non hanno un sistema immunitario, rappresentato dalle cellule microgliali: normalmente queste cellule migrano verso il sistema nervoso centrale dall'esterno. Terzo, una struttura che cresce in soluzione non ha un microambiente specifico fornito dal corpo, il che limita il numero di molecole di segnalazione che la raggiungono. La soluzione a questi problemi potrebbe essere la creazione di animali modello con cervelli chimerici.

Il recente lavoro Un modello in vivo di organoidi cerebrali umani funzionali e vascolarizzati degli scienziati americani del Salk Institute sotto la direzione di Fred Gage descrive l'integrazione di un organello cerebrale umano (cioè un mini-cervello) nel cervello di un topo. Per fare ciò, gli scienziati hanno prima inserito il gene per una proteina fluorescente verde nel DNA delle cellule staminali in modo da poter osservare al microscopio il destino del tessuto nervoso in via di sviluppo. Gli organoidi sono stati coltivati da queste cellule per 40 giorni, che sono stati poi impiantati in una cavità nella corteccia retrosplenale di un topo immunodeficiente. Tre mesi dopo, nell'80% degli animali, l'impianto ha messo radici.

Il cervello chimerico dei topi è stato analizzato per otto mesi. Si è scoperto che l'organoide, che poteva essere facilmente distinto dalla luminescenza di una proteina fluorescente, si integrava con successo, formava una rete vascolare ramificata, sviluppava assoni e formava sinapsi con i processi nervosi del cervello ospite. Inoltre, le cellule della microglia si sono spostate dall'ospite all'impianto. Infine, i ricercatori hanno confermato l'attività funzionale dei neuroni: hanno mostrato attività elettrica e fluttuazioni del calcio. Pertanto, il "mini-cervello" umano è entrato completamente nella composizione del cervello del topo.

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Sorprendentemente, l'integrazione di un pezzo di tessuto nervoso umano non ha influenzato il comportamento dei topi sperimentali. In un test per l'apprendimento spaziale, i topi con cervello chimerico si sono comportati come i topi normali e avevano persino una memoria peggiore - i ricercatori hanno spiegato questo con il fatto che per l'impianto hanno fatto un buco nella corteccia cerebrale.

Tuttavia, l'obiettivo di questo lavoro non era ottenere un topo intelligente con una coscienza umana, ma creare un modello in vivo di organelli cerebrali umani dotati di una rete vascolare e di un microambiente per vari scopi biomedici.

Un esperimento di tipo completamente diverso è stato messo in scena dall'attecchimento del proencefalo da parte di cellule progenitrici gliali umane che migliora la plasticità sinaptica e l'apprendimento nei topi adulti dagli scienziati del Center for Translational Neuromedicine dell'Università di Rochester nel 2013. Come accennato in precedenza, le cellule cerebrali accessorie umane (astrociti) sono molto diverse da quelle di altri animali, in particolare dei topi. Per questo motivo, i ricercatori suggeriscono che gli astrociti svolgono un ruolo importante nello sviluppo e nel mantenimento delle funzioni del cervello umano. Per testare come si svilupperebbe un cervello chimerico di topo con astrociti umani, gli scienziati hanno piantato precursori di cellule ausiliarie nel cervello degli embrioni di topo.

Si è scoperto che in un cervello chimerico, gli astrociti umani lavorano tre volte più velocemente dei topi. Inoltre, i topi con cervello chimerico si sono rivelati significativamente più intelligenti del solito in molti modi. Erano più veloci a pensare, imparare meglio e navigare nel labirinto. Probabilmente, i topi chimerici non pensavano come le persone, ma, forse, potevano sentirsi in un diverso stadio dell'evoluzione.

Tuttavia, i roditori sono tutt'altro che modelli ideali per studiare il cervello umano. Il fatto è che il tessuto nervoso umano matura secondo un orologio molecolare interno e il suo trasferimento a un altro organismo non accelera questo processo. Considerando che i topi vivono solo due anni e che la formazione completa di un cervello umano richiede un paio di decenni, non è possibile studiare alcun processo a lungo termine nel formato di un cervello chimerico. Forse il futuro delle neuroscienze appartiene ancora al cervello umano negli acquari: per scoprire quanto sia etico, gli scienziati devono solo imparare a leggere la mente e la tecnologia moderna sembra essere in grado di farlo presto.

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