Hoe onderzoekers het menselijk brein geïsoleerd van het lichaam bestuderen

2024 Auteur: Malcolm Clapton | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 04:06

Hoe wetenschappers modellen van het menselijk brein maken en welke ethische vragen dergelijk onderzoek oproept.

Het tijdschrift Nature publiceerde De ethiek van het experimenteren met menselijk hersenweefsel, een collectieve brief van 17 vooraanstaande neurowetenschappers in de wereld, waarin wetenschappers de voortgang in de ontwikkeling van menselijke hersenmodellen bespraken. De angst van specialisten is als volgt: waarschijnlijk zullen de modellen in de nabije toekomst zo geavanceerd worden dat ze niet alleen de structuur, maar ook de functies van het menselijk brein gaan reproduceren.

Is het mogelijk om "in een reageerbuis" een stuk zenuwweefsel te creëren dat bewustzijn heeft? Wetenschappers kennen de structuur van de hersenen van dieren tot in het kleinste detail, maar zijn er nog steeds niet achter welke structuren het bewustzijn 'coderen' en hoe ze de aanwezigheid ervan kunnen meten, als we het hebben over een geïsoleerd brein of de gelijkenis ervan.

Hersenen in het aquarium

"Stel je voor dat je wakker wordt in een geïsoleerde sensorische deprivatiekamer - er is geen licht, geen geluid, geen externe stimuli in de buurt. Alleen je bewustzijn, hangend in de leegte."

Dat is het beeld van ethici die commentaar geven op een verklaring van neurowetenschapper Nenad Sestan van de Yale University dat zijn team in staat was een geïsoleerd varkensbrein 36 uur in leven te houden.

De onderzoekers houden varkenshersenen in leven buiten het lichaam. Rapport van een succesvol experiment werd eind maart van dit jaar gedaan tijdens een vergadering van de ethische commissie van de Amerikaanse National Institutes of Health. Met behulp van een verwarmd pompsysteem genaamd BrainEx en een synthetisch bloedvervangingsmiddel, handhaafden de onderzoekers de vloeistofcirculatie en zuurstoftoevoer naar de geïsoleerde hersenen van honderden dieren die een paar uur voor het experiment in een slachthuis waren gedood, zei hij.

De organen bleven in leven, te oordelen naar de persistentie van de activiteit van miljarden individuele neuronen. Wetenschappers kunnen echter niet zeggen of de varkenshersenen die in het "aquarium" zijn geplaatst, tekenen van bewustzijn behielden. De afwezigheid van elektrische activiteit, getest op een gestandaardiseerde manier met behulp van een elektro-encefalogram, overtuigde Sestan ervan dat "dit brein zich nergens zorgen over maakt". Het is mogelijk dat de geïsoleerde hersenen van het dier in coma waren, wat met name kan worden vergemakkelijkt door de componenten van de oplossing die het wast.

De auteurs maken de details van het experiment niet bekend - ze bereiden een publicatie voor in een wetenschappelijk tijdschrift. Desalniettemin wekte zelfs Sestans rapport, arm aan details, grote belangstelling en veel speculatie over de verdere ontwikkeling van de technologie. Het lijkt erop dat het behoud van de hersenen technisch niet veel moeilijker is dan het bewaren van een ander orgaan voor transplantatie, zoals het hart of de nier.

Dit betekent dat het theoretisch mogelijk is om het menselijk brein in een min of meer natuurlijke staat te behouden.

Geïsoleerde hersenen zouden bijvoorbeeld een goed model kunnen zijn voor onderzoek naar medicijnen: de bestaande wettelijke beperkingen gelden immers voor levende mensen, en niet voor individuele organen. Vanuit ethisch oogpunt rijzen hier echter veel vragen. Zelfs de kwestie van hersendood blijft een "grijs gebied" voor onderzoekers - ondanks het bestaan van formele medische criteria zijn er een aantal vergelijkbare aandoeningen van waaruit een terugkeer naar normale levensactiviteit nog steeds mogelijk is. Wat kunnen we zeggen over de situatie als we beweren dat de hersenen in leven blijven. Wat als de hersenen, geïsoleerd van het lichaam, sommige of alle persoonlijkheidskenmerken blijven behouden? Dan is het heel goed mogelijk om je de situatie voor te stellen die aan het begin van het artikel wordt beschreven.

Waar bewustzijn op de loer ligt

Ondanks het feit dat er tot de jaren 80 van de 20e eeuw aanhangers waren van de theorie van het dualisme, die de ziel van het lichaam scheidt, onder wetenschappers, zijn in onze tijd zelfs filosofen die de psyche bestuderen het erover eens dat alles wat we bewustzijn noemen, wordt gegenereerd door het materiële brein (geschiedenis De vraag kan in meer detail worden gelezen, bijvoorbeeld in dit hoofdstuk Where is Consciousness: History of the Issue and Prospects of Search uit het boek van Nobelprijswinnaar Eric Kandel "In Search of Memory").

Bovendien kunnen wetenschappers met moderne technieken zoals functionele magnetische resonantiebeeldvorming volgen welke hersengebieden worden geactiveerd tijdens specifieke mentale oefeningen. Niettemin is het concept van bewustzijn als geheel te kortstondig, en wetenschappers zijn het er nog steeds niet over eens of het wordt gecodeerd door een reeks processen die in de hersenen plaatsvinden, of dat bepaalde neurale correlaten daarvoor verantwoordelijk zijn.

Zoals Kandel in zijn boek zegt, wordt bij patiënten met chirurgisch gescheiden hersenhelften het bewustzijn in tweeën gesplitst, die elk een onafhankelijk beeld van de wereld waarnemen.

Deze en soortgelijke gevallen uit de neurochirurgische praktijk geven in ieder geval aan dat voor het bestaan van bewustzijn de integriteit van de hersenen als een symmetrische structuur niet vereist is. Sommige wetenschappers, waaronder de ontdekker van de structuur van DNA Francis Crick, die aan het einde van zijn leven geïnteresseerd raakte in neurowetenschappen, geloven dat de aanwezigheid van bewustzijn wordt bepaald door specifieke structuren in de hersenen.

Misschien zijn dit bepaalde neurale circuits, of misschien ligt het punt in de hulpcellen van de hersenen - astrocyten, die bij mensen, in vergelijking met andere dieren, vrij sterk gespecialiseerd zijn. Op de een of andere manier hebben wetenschappers het punt al bereikt om individuele structuren van het menselijk brein in vitro (“in vitro”) of zelfs in vivo (als onderdeel van de hersenen van dieren) te modelleren.

Wakker worden in een bioreactor

Het is niet bekend hoe snel het zal komen tot experimenten met hele hersenen die uit het menselijk lichaam zijn geëxtraheerd - eerst moeten neurowetenschappers en ethici het eens worden over de spelregels. Desalniettemin groeien in laboratoria in petrischalen en bioreactoren door de opkomst van driedimensionale menselijke hersenculturen al "mini-hersenen" die de structuur van het "grote" menselijke brein of zijn specifieke delen nabootsen.

Tijdens het ontwikkelingsproces van het embryo worden zijn organen tot in bepaalde stadia gevormd volgens een programma dat inherent is aan de genen volgens het principe van zelforganisatie. Het zenuwstelsel is geen uitzondering. De onderzoekers ontdekten dat als differentiatie in cellen van het zenuwweefsel in stamcelcultuur wordt geïnduceerd met behulp van bepaalde stoffen, dit leidt tot spontane herschikkingen in celcultuur, vergelijkbaar met die tijdens de morfogenese van de embryonale neurale buis.

Op deze manier geïnduceerde stamcellen differentiëren zich uiteindelijk tot neuronen van de hersenschors, maar door signaalmoleculen van buitenaf toe te voegen aan bijvoorbeeld een petrischaal kunnen cellen van de middenhersenen, het striatum of het ruggenmerg worden verkregen. Het bleek dat een intrinsiek mechanisme van corticogenese uit embryonale stamcellen kan worden gekweekt in een schaal, een echte cortex, net als in de hersenen, bestaande uit meerdere lagen neuronen en met daarin hulpastrocyten.

Het is duidelijk dat tweedimensionale culturen een sterk vereenvoudigd model vertegenwoordigen. Het zelforganiserende principe van zenuwweefsel hielp wetenschappers snel over te gaan naar driedimensionale structuren die sferoïden en cerebrale organellen worden genoemd. Het proces van weefselorganisatie kan worden beïnvloed door veranderingen in initiële omstandigheden, zoals initiële kweekdichtheid en celheterogeniteit, en door exogene factoren. Door de activiteit van bepaalde signaalcascades te moduleren, is het zelfs mogelijk om de vorming van geavanceerde structuren in de organoïde te bereiken, zoals de optische beker met het retinale epitheel, die celdiversiteit en netwerkdynamiek in lichtgevoelige menselijke hersenorganoïden reageert op licht.

Het gebruik van een speciaal vat en behandeling met groeifactoren stelden wetenschappers in staat om doelbewust menselijke corticale ontwikkeling in vitro te modelleren met behulp van geïnduceerde pluripotente stamcellen - een menselijke cerebrale organoïde die overeenkomt met de voorhersenen (hemisferen) met een cortex, waarvan de ontwikkeling, te oordelen naar de expressie van genen en markers, kwam overeen met het eerste trimester van de foetale ontwikkeling …

En wetenschappers uit Stanford, onder leiding van Sergiu Pasca, hebben functionele corticale neuronen en astrocyten ontwikkeld uit menselijke pluripotente stamcellen in 3D-cultuur, een manier om klonten te laten groeien die de voorhersenen nabootsen in een petrischaal. De grootte van dergelijke "hersenen" is ongeveer 4 millimeter, maar na 9-10 maanden rijping komen corticale neuronen en astrocyten in deze structuur overeen met het postnatale ontwikkelingsniveau, dat wil zeggen het ontwikkelingsniveau van de baby onmiddellijk na de geboorte.

Belangrijk is dat stamcellen voor het kweken van dergelijke structuren van specifieke mensen kunnen worden gehaald, bijvoorbeeld van patiënten met genetisch bepaalde ziekten van het zenuwstelsel. En de vooruitgang in genetische manipulatie suggereert dat wetenschappers binnenkort in staat zullen zijn om de ontwikkeling van de hersenen van een Neanderthaler of Denisovan in vitro te observeren.

In 2013 publiceerden onderzoekers van het Instituut voor Moleculaire Biotechnologie van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen een artikel Cerebrale organoïden modelleren de ontwikkeling van het menselijk brein en microcefalie, waarin de kweek van een "miniatuurbrein" uit twee soorten stamcellen in een bioreactor wordt beschreven, die de structuur van het hele menselijke brein.

Verschillende zones van de organoïde kwamen overeen met verschillende delen van de hersenen: achterste, middelste en voorste, en de "voorhersenen" vertoonden zelfs verdere differentiatie in lobben ("hemisferen"). Belangrijk is dat wetenschappers in dit minibrein, dat ook niet groter was dan enkele millimeters, tekenen van activiteit waarnamen, met name fluctuaties in de calciumconcentratie in neuronen, die dienen als een indicator van hun opwinding (u kunt in detail lezen over dit experiment hier).

Het doel van de wetenschappers was niet alleen om de evolutie van de hersenen in vitro te reproduceren, maar ook om de moleculaire processen te bestuderen die leiden tot microcefalie - een ontwikkelingsafwijking die vooral optreedt wanneer een embryo is geïnfecteerd met het Zika-virus. Hiervoor hebben de auteurs van het werk hetzelfde mini-brein uit de cellen van de patiënt gekweekt.

Ondanks de indrukwekkende resultaten waren wetenschappers ervan overtuigd dat dergelijke organellen niets konden realiseren. Ten eerste bevat het echte brein ongeveer 80 miljard neuronen, en de volwassen organoïde bevat enkele orden van grootte minder. Een minibrein is dus gewoon fysiek niet in staat om de functies van een echt brein volledig uit te voeren.

Ten tweede, vanwege de eigenaardigheden van de ontwikkeling "in vitro", waren sommige van zijn structuren nogal chaotisch gelokaliseerd en vormden ze onjuiste, niet-fysiologische verbindingen met elkaar. Als het minibrein iets dacht, was het duidelijk iets ongewoons voor ons.

Om het probleem van de interactie van afdelingen op te lossen, hebben neurowetenschappers voorgesteld om de hersenen op een nieuw niveau te modelleren, dat "assembloiden" wordt genoemd. Voor hun vorming worden organellen eerst afzonderlijk gekweekt, overeenkomend met individuele delen van de hersenen, en vervolgens worden ze samengevoegd.

Deze benadering wetenschappers gebruikten de vergadering van functioneel geïntegreerde menselijke voorhersenen sferoïden om te bestuderen hoe de zogenaamde interneuronen, die verschijnen na de vorming van het grootste deel van de neuronen door migratie van de aangrenzende voorhersenen, worden opgenomen in de cortex. Assembloids verkregen uit twee soorten zenuwweefsel hebben het mogelijk gemaakt om verstoringen in de migratie van interneuronen bij patiënten met epilepsie en autisme te bestuderen.

Wakker worden in andermans lichaam

Zelfs met alle verbeteringen worden de hersen-in-een-buis-mogelijkheden ernstig beperkt door drie fundamentele voorwaarden. Ten eerste hebben ze geen vasculair systeem waarmee ze zuurstof en voedingsstoffen aan hun interne structuren kunnen leveren. Om deze reden wordt de grootte van mini-hersenen beperkt door het vermogen van moleculen om door weefsel te diffunderen. Ten tweede hebben ze geen immuunsysteem, vertegenwoordigd door microgliacellen: normaal gesproken migreren deze cellen van buitenaf naar het centrale zenuwstelsel. Ten derde heeft een structuur die in oplossing groeit geen specifieke micro-omgeving die door het lichaam wordt geleverd, waardoor het aantal signaalmoleculen dat het bereikt, wordt beperkt. De oplossing voor deze problemen zou het creëren van modeldieren met chimere hersenen kunnen zijn.

Het recente werk Een in vivo model van functionele en gevasculariseerde menselijke hersenorganoïden door Amerikaanse wetenschappers van het Salk Institute onder leiding van Fred Gage beschrijft de integratie van een menselijk hersenorganel (dat wil zeggen een minibrein) in de hersenen van een muis. Om dit te doen, brachten de wetenschappers eerst het gen voor een groen fluorescerend eiwit in het DNA van stamcellen, zodat het lot van het zich ontwikkelende zenuwweefsel met microscopie kon worden waargenomen. Uit deze cellen werden gedurende 40 dagen organoïden gekweekt, die vervolgens werden geïmplanteerd in een holte in de retrosplenale cortex van een immunodeficiënte muis. Drie maanden later schoot bij 80 procent van de dieren het implantaat wortel.

De chimere hersenen van de muizen werden gedurende acht maanden geanalyseerd. Het bleek dat de organoïde, die gemakkelijk kon worden onderscheiden door de luminescentie van een fluorescerend eiwit, met succes integreerde, een vertakt vasculair netwerk vormde, axonen liet groeien en synapsen vormde met de zenuwprocessen van de gastheerhersenen. Bovendien zijn microgliacellen verplaatst van de gastheer naar het implantaat. Ten slotte bevestigden de onderzoekers de functionele activiteit van de neuronen - ze vertoonden elektrische activiteit en fluctuaties in calcium. Zo kwam het menselijke "minibrein" volledig in de samenstelling van het muizenbrein.

Verrassend genoeg had de integratie van een stuk menselijk zenuwweefsel geen invloed op het gedrag van experimentele muizen. In een test voor ruimtelijk leren presteerden muizen met chimere hersenen hetzelfde als normale muizen, en hadden ze zelfs een slechter geheugen - de onderzoekers verklaarden dit door het feit dat ze voor implantatie een gat in de hersenschors maakten.

Desalniettemin was het doel van dit werk niet om een intelligente muis met een menselijk bewustzijn te verkrijgen, maar om een in vivo model te creëren van menselijke cerebrale organellen uitgerust met een vasculair netwerk en micro-omgeving voor verschillende biomedische doeleinden.

Een experiment van een heel ander soort werd georganiseerd door voorhersenen engraftment door menselijke gliale voorlopercellen verbetert synaptische plasticiteit en leren bij volwassen muizen door wetenschappers van het Center for Translational Neuromedicine aan de Universiteit van Rochester in 2013. Zoals eerder vermeld, zijn menselijke hulphersencellen (astrocyten) heel anders dan die van andere dieren, met name muizen. Om deze reden suggereren onderzoekers dat astrocyten een belangrijke rol spelen bij de ontwikkeling en het onderhoud van menselijke hersenfuncties. Om te testen hoe een chimeer muizenbrein zich zou ontwikkelen met menselijke astrocyten, plantten de wetenschappers hulpcelprecursoren in de hersenen van muizenembryo's.

Het bleek dat menselijke astrocyten in een chimeer brein drie keer sneller werken dan muizen. Bovendien bleken muizen met chimere hersenen in veel opzichten significant slimmer dan normaal. Ze waren sneller om na te denken, beter te leren en door het doolhof te navigeren. Waarschijnlijk dachten chimere muizen niet als mensen, maar misschien voelden ze zich in een ander stadium van evolutie.

Knaagdieren zijn echter verre van ideale modellen om het menselijk brein te bestuderen. Het feit is dat menselijk zenuwweefsel rijpt volgens een interne moleculaire klok, en de overdracht ervan naar een ander organisme versnelt dit proces niet. Aangezien muizen maar twee jaar leven en de volledige vorming van een menselijk brein een paar decennia duurt, kunnen langetermijnprocessen in de vorm van een chimeer brein niet worden bestudeerd. Misschien behoort de toekomst van neurowetenschap nog steeds toe aan menselijke hersenen in aquaria - om erachter te komen hoe ethisch het is, moeten wetenschappers alleen maar leren gedachten te lezen, en moderne technologie lijkt dit binnenkort te kunnen doen.