Журнал Nature опубликовал коллективное письмо 17 ведущих нейробиологов мира, в котором ученые обсудили прогресс в разработке моделей человеческого мозга. Опасения специалистов таковы: вероятно, в ближайшем будущем модели станут настолько продвинутыми, что начнут воспроизводить не только строение, но и функции человеческого мозга.
Можно ли создать «в пробирке» кусок нервной ткани с сознанием? Ученые знают строение мозга животных в мельчайших подробностях, но до сих пор не выяснили, какие именно структуры «кодируют» сознание и как именно измерять его наличие, если речь идет об изолированном мозге или его подобии.
Мозг в аквариуме
«Представьте, что вы просыпаетесь в изолированной камере сенсорной депривации — вокруг нет ни света, ни звука, ни внешних раздражителей. Только ваше сознание висит в пустоте».
Такую картину рисуют специалисты по этике, комментируя заявление нейробиолога из Йельского университета Ненада Сестана о том, что его команда смогла поддерживать «живым» мозг изолированной свиньи в течение 36 часов.
Об успешном эксперименте было объявлено на заседании этического комитета Национальных институтов здравоохранения США в конце марта этого года. По словам ученого, с помощью системы насосов с подогревом под названием BrainEx и синтетического заменителя крови исследователи циркулировали и насыщали кислородом изолированные мозги сотен животных, забитых на бойне за пару часов до начала эксперимента.
Судя по продолжающейся активности миллиардов отдельных нейронов, органы остались живы. Однако ученые не могут сказать, сохранили ли мозги свиней, помещенные в аквариум, признаки сознания. Отсутствие электрической активности, проверяемое стандартным способом с помощью электроэнцефалограммы, убедило Сестана в том, что «этот мозг ни о чем не беспокоится». Не исключено, что изолированный мозг животного находился в состоянии комы, чему, в частности, могли способствовать омывающие его компоненты раствора.
Подробности эксперимента авторы не раскрывают — готовят публикацию в научном журнале. Тем не менее, даже скудный на детали отчет Сестана вызвал большой интерес и массу предположений о дальнейшем развитии техники. Судя по всему, технически спасти мозг ненамного сложнее, чем любой другой орган для трансплантации, например, сердце или почку.
Это означает, что теоретически возможно сохранить человеческий мозг в более или менее естественном состоянии.
Изолированный мозг мог бы стать хорошей моделью, например, для исследования лекарств: ведь существующие нормативные ограничения распространяются на живых людей, а не на отдельные органы. Однако с этической точки зрения здесь возникает много вопросов. Даже вопрос о смерти мозга остается «серой зоной» для исследователей — несмотря на наличие формальных медицинских критериев, существует ряд подобных состояний, при которых возврат к нормальной жизни все же возможен. Что уж говорить о ситуации, когда мы утверждаем, что мозг остается живым. Что, если мозг, изолированный от тела, продолжает хранить все или некоторые признаки личности? Тогда вполне можно представить ситуацию, описанную в начале статьи.
Где прячется сознание
Несмотря на то, что до 80-х годов XX века среди ученых были сторонники теории дуализма, отделяющего душу от тела, в наше время даже философы, изучающие психику, сходятся во мнении, что все, что мы называем сознанием, порождено материальный мозг (история вопроса более подробно можно прочитать, например, в этой главе из книги нобелевского лауреата Эрика Канделя «В поисках памяти»).
Более того, с помощью современных методов, таких как функциональная магнитно-резонансная томография, ученые могут отслеживать, какие именно участки мозга активируются во время конкретных умственных упражнений. Однако понятие сознания в целом слишком эфемерно, и ученые до сих пор не пришли к единому мнению, кодируется ли оно совокупностью процессов, происходящих в мозгу, или за него ответственны определенные нейронные корреляты.
Как рассказывает в своей книге Кандель, у больных с хирургически разделенными полушариями головного мозга сознание как бы расщепляется на два, каждое из которых воспринимает самостоятельную картину мира.
Эти и подобные случаи из нейрохирургической практики свидетельствуют, по крайней мере, о том, что целостность мозга как симметричной структуры не требуется для существования сознания. Некоторые ученые, в том числе первооткрыватель структуры ДНК Фрэнсис Крик, увлекшийся нейробиологией ближе к концу жизни, считают, что существование сознания определяется специфическими структурами в мозгу.
Может быть, это некие нейронные цепи, а может быть, дело во вспомогательных клетках мозга — астроцитах, которые у человека, по сравнению с другими животными, достаточно узко специализированы. Так или иначе, ученые уже подошли к моделированию отдельных структур человеческого мозга in vitro («в пробирке») или даже in vivo (в составе мозга животных).
Очнуться в биореакторе
Неизвестно, как скоро дело дойдет до экспериментов над целым мозгом, извлеченным из человеческого тела, — сначала нейробиологи и специалисты по этике должны договориться о правилах игры. Тем не менее, в лабораториях в чашках Петри и биореакторах уже вовсю выращивают «мини-мозги», имитирующие строение «большого» человеческого мозга или его конкретных отделов.
В процессе развития зародыша его органы формируются до определенных стадий по определенной программе, заложенной в генах, по принципу самоорганизации. Нервная система не является исключением. Исследователи установили, что если определенные вещества индуцируют дифференцировку в клетки нервной ткани в культуре стволовых клеток, то это приводит к спонтанным перестройкам в культуре клеток, подобным тем, которые происходят при морфогенезе нервной трубки эмбриона.
Индуцированные таким образом стволовые клетки «по умолчанию» дифференцируются в конечном итоге в нейроны коры головного мозга, однако путем добавления сигнальных молекул извне в чашку Петри можно получить, например, клетки среднего мозга, полосатого тела или спинного мозга. Оказалось, что в чашке можно вырастить настоящую кору, как и в мозгу, состоящую из нескольких слоев нейронов и содержащую вспомогательные астроциты.
Понятно, что двумерные культуры — это сильно упрощенная модель. Принцип самоорганизации нервной ткани помог ученым быстро перейти к трехмерным структурам, называемым сфероидами и мозговыми органеллами. На процесс тканевой организации могут влиять изменения начальных условий, таких как исходная плотность культуры и гетерогенность клеток, а также экзогенные факторы. Модулируя активность некоторых сигнальных каскадов, можно даже добиться формирования в органоиде продвинутых структур, таких как глазной бокал со светочувствительным эпителием сетчатки.
Использование специального сосуда и обработка факторами роста позволили ученым специально получить мозговой органоид человека, соответствующий переднему мозгу (полушариям) с корой, развитие которой, судя по экспрессии генов и маркеров, соответствовало первому триместру развития плода.
А ученые из Стэнфорда под руководством Серджиу Паски разработали способ выращивания комочков, имитирующих передний мозг, прямо в чашке Петри. Размер таких «мозгов» составляет около 4 миллиметров, но после 9-10 месяцев созревания корковые нейроны и астроциты в этой структуре соответствуют постнатальному уровню развития, то есть уровню развития младенца сразу после рождения.
Важно отметить, что стволовые клетки для выращивания таких структур могут быть взяты у конкретных людей, например, у пациентов с генетически детерминированными заболеваниями нервной системы. А достижения в области генной инженерии позволяют предположить, что вскоре ученые смогут наблюдать in vitro развитие мозга неандертальца или денисовца.
В 2013 году исследователи из Института молекулярной биотехнологии Австрийской академии наук опубликовали статью, описывающую выращивание «миниатюрного мозга» в биореакторе из двух видов стволовых клеток, имитирующих по строению весь человеческий мозг.
Разные зоны органоида соответствовали разным отделам мозга: заднему, среднему и переднему, а «передний мозг» обнаруживал даже дальнейшую дифференцировку на доли («полушария»). Важно отметить, что в этом мини-мозге, размер которого также не превышал нескольких миллиметров, ученые наблюдали признаки активности, в частности, колебания концентрации кальция внутри нейронов, служащие индикатором их возбуждения (подробнее об этом читайте поэкспериментируйте здесь).
Целью ученых было не только воспроизвести эволюцию мозга in vitro, но и изучить молекулярные процессы, приводящие к микроцефалии — аномалии развития, которая наблюдается, в частности, при заражении эмбриона вирусом Зика. Для этого авторы работы вырастили тот самый мини-мозг из клеток пациента.
Несмотря на впечатляющие результаты, ученые были уверены, что такие органоиды ничего не способны реализовать. Во-первых, настоящий мозг содержит около 80 миллиардов нейронов, тогда как выращенный органоид содержит на порядки меньше. Таким образом, мини-мозг просто физически не способен полноценно выполнять функции настоящего мозга.
Во-вторых, в силу особенностей развития «в пробирке» некоторые его структуры оказались расположены достаточно хаотично и образовали между собой неправильные, нефизиологические связи. Если мини-мозг о чем-то и думал, то это явно было чем-то, к чему мы не привыкли.
Чтобы решить проблему взаимодействия отделов, нейробиологи предложили моделировать мозг на новом уровне, который получил название «ассемблоиды». Для их формирования вначале выращивают отдельно органеллы, соответствующие отдельным отделам мозга, а затем их сливают.
Ученые использовали этот подход для изучения того, как в кору встраиваются так называемые интернейроны, которые появляются после формирования основной массы нейронов путем миграции из соседней области переднего мозга. Асемблоиды, полученные из двух видов нервной ткани, позволили изучить нарушения в процессе миграции интернейронов у больных эпилепсией и аутизмом.
Очнуться в чужом теле
Даже при всех доработках возможности «мозгов в пробирке» сильно ограничены тремя принципиальными условиями. Во-первых, у них нет сосудистой системы для доставки кислорода и питательных веществ к их внутренним структурам. По этой причине размер мини-мозга ограничен способностью молекул диффундировать через ткани. Во-вторых, у них нет иммунной системы, представленной клетками микроглии: в норме эти клетки мигрируют в ЦНС извне. В-третьих, структура, растущая в растворе, не имеет специфического микроокружения, обеспечиваемого организмом, что ограничивает количество достигающих ее сигнальных молекул. Решением этих проблем могло бы стать создание модельных животных с химерным мозгом.
В недавней статье американских ученых из Института Солка под руководством Фреда Гейджа описывается интеграция церебрального органоида человека (то есть мини-мозга) в мозг мыши. Для этого ученые сначала вставили ген зеленого флуоресцентного белка в ДНК стволовых клеток, чтобы под микроскопом можно было наблюдать за судьбой развивающейся нервной ткани. Из этих клеток в течение 40 дней выращивали органеллы, которые затем имплантировали в полость ретроспленальной коры иммунодефицитной мыши. Через три месяца у 80 процентов животных имплантат прижился.
Мозг химерных мышей анализировали в течение восьми месяцев. Оказалось, что органоид, который можно было легко различить по свечению флуоресцентного белка, успешно интегрировался, образовал разветвленную сосудистую сеть, отрастил аксоны и образовал синапсы с нервными отростками головного мозга хозяина. Кроме того, клетки микроглии мигрировали от хозяина к имплантату. Наконец, исследователи подтвердили функциональную активность нейронов — они показали электрическую активность и колебания кальция. Таким образом, человеческий «мини-мозг» полностью стал частью мозга мыши.
Удивительно, но интеграция кусочка нервной ткани человека не повлияла на поведение подопытных мышей. В тесте на пространственное обучение мыши с химерным мозгом показали те же результаты, что и обычные мыши, и отличались даже худшей памятью — исследователи объяснили это тем, что для имплантации они проделали отверстие в коре полушарий.
Однако целью данной работы было не получение умной мыши с человеческим сознанием, а создание прижизненной модели мозговых органелл человека, оснащенных сетью сосудов и микроокружением для различных биомедицинских целей.
Эксперимент совсем другого рода был поставлен учеными из Центра трансляционной нейромедицины Рочестерского университета в 2013 году. Как упоминалось ранее, клетки-помощники головного мозга (астроциты) у человека сильно отличаются от клеток других животных. , в частности мышей. По этой причине исследователи предполагают, что астроциты играют важную роль в развитии и поддержании функций человеческого мозга. Чтобы проверить, как будет развиваться химерный мозг мыши с человеческими астроцитами, ученые имплантировали предшественники поддерживающих клеток в мозг эмбрионов мыши.
Оказалось, что в химерном мозгу астроциты человека работают в три раза быстрее, чем мышиные. Более того, мыши с химерным мозгом во многих отношениях были значительно умнее обычных мышей. Они быстрее думали, лучше учились и проходили лабиринт. Вероятно, химерные мыши мыслили не так, как люди, но, возможно, они были способны чувствовать на другом этапе эволюции.
Однако грызуны далеко не идеальны для изучения человеческого мозга. Дело в том, что нервная ткань человека созревает по каким-то внутренним молекулярным часам, и перенос ее в другой организм не ускоряет этот процесс. Учитывая, что мыши живут всего два года, а полное развитие человеческого мозга занимает пару десятков лет, изучать какие-либо долговременные процессы в формате химерного мозга невозможно. Возможно, будущее нейронауки по-прежнему принадлежит человеческому мозгу в аквариумах — чтобы выяснить, насколько это этично, ученым просто нужно научиться читать мысли, и современные технологии, похоже, вскоре это позволяют.