Bagaimana para peneliti mempelajari otak manusia secara terpisah dari tubuh

2024 Pengarang: Malcolm Clapton | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-17 04:00

Bagaimana para ilmuwan menciptakan model otak manusia dan isu-isu etis apa yang diangkat oleh penelitian tersebut.

Jurnal Nature menerbitkan Etika bereksperimen dengan jaringan otak manusia, surat kolektif dari 17 ahli saraf terkemuka di dunia, di mana para ilmuwan membahas kemajuan dalam pengembangan model otak manusia. Ketakutan para spesialis adalah sebagai berikut: mungkin dalam waktu dekat model akan menjadi sangat maju sehingga mereka akan mulai mereproduksi tidak hanya struktur, tetapi juga fungsi otak manusia.

Apakah mungkin untuk membuat "dalam tabung reaksi" sepotong jaringan saraf yang memiliki kesadaran? Para ilmuwan mengetahui struktur otak hewan dalam detail terkecil, tetapi masih belum menemukan struktur mana yang "mengkodekan" kesadaran dan bagaimana mengukur keberadaannya, jika kita berbicara tentang otak yang terisolasi atau kesamaannya.

Otak di akuarium

“Bayangkan bangun di ruang deprivasi sensorik yang terisolasi - tidak ada cahaya, tidak ada suara, tidak ada rangsangan eksternal di sekitarnya. Hanya kesadaranmu, tergantung di kehampaan."

Itulah gambaran para ahli etika mengomentari pernyataan ahli saraf Universitas Yale Nenad Sestan bahwa timnya mampu menjaga otak babi yang diisolasi tetap hidup selama 36 jam.

Para peneliti menjaga otak babi tetap hidup di luar laporan tubuh percobaan yang berhasil dibuat pada pertemuan Komite Etika Institut Kesehatan Nasional AS pada akhir Maret tahun ini. Dengan menggunakan sistem pompa berpemanas yang disebut BrainEx dan pengganti darah sintetis, para peneliti mempertahankan sirkulasi cairan dan suplai oksigen ke otak yang terisolasi dari ratusan hewan yang dibunuh di rumah jagal beberapa jam sebelum percobaan, katanya.

Organ-organ itu tetap hidup, dilihat dari kegigihan aktivitas miliaran neuron individu. Namun, para ilmuwan tidak dapat mengatakan apakah otak babi yang ditempatkan di "akuarium" mempertahankan tanda-tanda kesadaran. Tidak adanya aktivitas listrik, yang diuji dengan cara standar menggunakan elektroensefalogram, meyakinkan Sestan bahwa "otak ini tidak mengkhawatirkan apa pun." Ada kemungkinan bahwa otak hewan yang terisolasi itu dalam keadaan koma, yang, khususnya, dapat difasilitasi oleh komponen larutan yang mencucinya.

Penulis tidak mengungkapkan rincian percobaan - mereka sedang mempersiapkan publikasi dalam jurnal ilmiah. Namun demikian, bahkan laporan Sestan, yang kurang detail, membangkitkan minat besar dan banyak spekulasi tentang perkembangan teknologi lebih lanjut. Tampaknya melestarikan otak secara teknis tidak jauh lebih sulit daripada melestarikan organ lain untuk transplantasi, seperti jantung atau ginjal.

Ini berarti bahwa secara teoritis adalah mungkin untuk melestarikan otak manusia dalam keadaan yang kurang lebih alami.

Otak yang terisolasi bisa menjadi model yang baik, misalnya, untuk meneliti obat-obatan: bagaimanapun, pembatasan peraturan yang ada berlaku untuk orang yang masih hidup, dan bukan untuk organ individu. Namun, dari sudut pandang etika, banyak pertanyaan muncul di sini. Bahkan pertanyaan tentang kematian otak tetap menjadi "wilayah abu-abu" bagi para peneliti - meskipun ada kriteria medis formal, ada sejumlah kondisi serupa, yang masih memungkinkan untuk kembali ke aktivitas kehidupan normal. Apa yang bisa kita katakan tentang situasi ketika kita menyatakan bahwa otak tetap hidup. Bagaimana jika otak, yang terisolasi dari tubuh, terus mempertahankan beberapa atau semua ciri kepribadian? Maka sangat mungkin untuk membayangkan situasi yang dijelaskan di awal artikel.

Dimana kesadaran mengintai

Terlepas dari kenyataan bahwa hingga tahun 80-an abad ke-20, ada pendukung teori dualisme, yang memisahkan jiwa dari tubuh, di antara para ilmuwan, di zaman kita bahkan para filsuf yang mempelajari jiwa setuju bahwa segala sesuatu yang kita sebut kesadaran dihasilkan oleh otak materi (sejarah Pertanyaannya dapat dibaca lebih detail, misalnya, dalam bab ini Di Mana Kesadaran: Sejarah Masalah dan Prospek Pencarian dari buku peraih Nobel Eric Kandel "In Search of Memory").

Terlebih lagi, dengan teknik modern seperti pencitraan resonansi magnetik fungsional, para ilmuwan dapat melacak area otak mana yang diaktifkan selama latihan mental tertentu. Namun demikian, konsep kesadaran secara keseluruhan terlalu singkat, dan para ilmuwan masih tidak setuju apakah itu dikodekan oleh serangkaian proses yang terjadi di otak, atau apakah korelasi saraf tertentu bertanggung jawab untuk itu.

Seperti yang dikatakan Kandel dalam bukunya, pada pasien dengan belahan otak yang dipisahkan melalui pembedahan, kesadaran terbagi menjadi dua, yang masing-masing merasakan gambaran dunia yang independen.

Kasus-kasus ini dan yang serupa dari praktik bedah saraf menunjukkan setidaknya bahwa untuk keberadaan kesadaran, integritas otak sebagai struktur simetris tidak diperlukan. Beberapa ilmuwan, termasuk penemu struktur DNA Francis Crick, yang di akhir hayatnya tertarik pada ilmu saraf, percaya bahwa keberadaan kesadaran ditentukan oleh struktur tertentu di otak.

Mungkin ini adalah sirkuit saraf tertentu, atau mungkin intinya ada di sel tambahan otak - astrosit, yang pada manusia, dibandingkan dengan hewan lain, agak sangat terspesialisasi. Dengan satu atau lain cara, para ilmuwan telah mencapai titik pemodelan struktur individu otak manusia secara in vitro (“in vitro”) atau bahkan in vivo (sebagai bagian dari otak hewan).

Bangun di bioreaktor

Tidak diketahui seberapa cepat eksperimen pada seluruh otak yang diekstraksi dari tubuh manusia akan segera tiba - pertama, ahli saraf dan ahli etika harus menyetujui aturan mainnya. Namun demikian, di laboratorium di cawan Petri dan bioreaktor, munculnya budaya otak manusia tiga dimensi sudah menumbuhkan "otak mini" yang meniru struktur otak manusia "besar" atau bagian spesifiknya.

Dalam proses perkembangan embrio, organ-organnya dibentuk sampai tahap-tahap tertentu menurut beberapa program yang melekat pada gen menurut prinsip pengaturan diri. Sistem saraf tidak terkecuali. Para peneliti menemukan bahwa jika diferensiasi menjadi sel-sel jaringan saraf diinduksi dalam kultur sel induk dengan bantuan zat tertentu, hal ini menyebabkan penataan ulang spontan dalam kultur sel, serupa dengan yang terjadi selama morfogenesis tabung saraf embrionik.

Sel punca yang diinduksi dengan cara ini "secara default" akhirnya berdiferensiasi menjadi neuron korteks serebral, namun, dengan menambahkan molekul pensinyalan dari luar ke cawan Petri, misalnya, sel-sel otak tengah, striatum atau sumsum tulang belakang dapat diperoleh. Ternyata mekanisme intrinsik kortikogenesis dari sel induk embrionik dapat ditumbuhkan dalam cawan, korteks nyata, seperti di otak, terdiri dari beberapa lapisan neuron dan mengandung astrosit tambahan.

Jelas bahwa budaya dua dimensi mewakili model yang sangat disederhanakan. Prinsip pengorganisasian diri dari jaringan saraf membantu para ilmuwan dengan cepat pindah ke struktur tiga dimensi yang disebut spheroids dan organel otak. Proses organisasi jaringan dapat dipengaruhi oleh perubahan kondisi awal, seperti kepadatan kultur awal dan heterogenitas sel, dan oleh faktor eksogen. Dengan memodulasi aktivitas kaskade pensinyalan tertentu, bahkan dimungkinkan untuk mencapai pembentukan struktur canggih dalam organoid, seperti cangkir optik dengan epitel retina, yang bereaksi terhadap keragaman sel dan dinamika jaringan dalam organoid otak manusia yang fotosensitif terhadap cahaya.

Penggunaan pembuluh khusus dan pengobatan dengan faktor pertumbuhan memungkinkan para ilmuwan untuk secara sengaja memperoleh Pemodelan perkembangan kortikal manusia in vitro menggunakan sel induk berpotensi majemuk yang diinduksi - organoid otak manusia yang sesuai dengan otak depan (belahan) dengan korteks, yang perkembangannya, dilihat dari ekspresi gen dan penanda, sesuai dengan trimester pertama perkembangan janin …

Dan ilmuwan dari Stanford, yang dipimpin oleh Sergiu Pasca, telah mengembangkan neuron kortikal Fungsional dan astrosit dari sel induk berpotensi majemuk manusia dalam kultur 3D, cara untuk menumbuhkan gumpalan yang meniru otak depan kanan dalam cawan Petri. Ukuran "otak" semacam itu sekitar 4 milimeter, tetapi setelah 9-10 bulan pematangan, neuron kortikal dan astrosit dalam struktur ini sesuai dengan tingkat perkembangan pascakelahiran, yaitu tingkat perkembangan bayi segera setelah lahir.

Yang penting, sel punca untuk menumbuhkan struktur seperti itu dapat diambil dari orang-orang tertentu, misalnya, dari pasien dengan penyakit sistem saraf yang ditentukan secara genetik. Dan kemajuan dalam rekayasa genetika menunjukkan bahwa para ilmuwan akan segera dapat mengamati secara in vitro perkembangan otak Neanderthal atau Denisovan.

Pada tahun 2013, para peneliti dari Institute for Molecular Biotechnology dari Austrian Academy of Sciences menerbitkan sebuah artikel Cerebral organoids model human brain development and microcephaly, menggambarkan budidaya "otak mini" dari dua jenis sel induk dalam bioreaktor, yang meniru struktur seluruh otak manusia.

Zona organoid yang berbeda berhubungan dengan bagian otak yang berbeda: posterior, tengah dan anterior, dan "otak depan" bahkan menunjukkan diferensiasi lebih lanjut menjadi lobus ("belahan"). Yang penting, di otak mini ini, yang ukurannya juga tidak melebihi beberapa milimeter, para ilmuwan mengamati tanda-tanda aktivitas, khususnya fluktuasi konsentrasi kalsium di dalam neuron, yang berfungsi sebagai indikator eksitasi mereka (Anda dapat membaca secara detail tentang percobaan ini di sini).

Tujuan para ilmuwan tidak hanya untuk mereproduksi evolusi otak in vitro, tetapi juga untuk mempelajari proses molekuler yang mengarah ke mikrosefali - kelainan perkembangan yang terjadi, khususnya, ketika embrio terinfeksi virus Zika. Untuk ini, penulis karya telah menumbuhkan otak mini yang sama dari sel pasien.

Terlepas dari hasil yang mengesankan, para ilmuwan yakin bahwa organel seperti itu tidak mampu mewujudkan apa pun. Pertama, otak asli mengandung sekitar 80 miliar neuron, dan organoid yang tumbuh mengandung beberapa kali lipat lebih sedikit. Dengan demikian, otak mini secara fisik tidak mampu sepenuhnya menjalankan fungsi otak yang sebenarnya.

Kedua, karena kekhasan perkembangan "in vitro", beberapa strukturnya terletak agak kacau dan membentuk hubungan non-fisiologis yang salah satu sama lain. Jika otak mini memikirkan sesuatu, itu jelas sesuatu yang tidak biasa bagi kami.

Untuk memecahkan masalah interaksi departemen, ahli saraf telah mengusulkan untuk memodelkan otak pada tingkat baru, yang disebut "assembloid". Untuk pembentukannya, organel pertama kali ditumbuhkan secara terpisah, sesuai dengan masing-masing bagian otak, dan kemudian digabungkan.

Pendekatan ini ilmuwan menggunakan Majelis spheroids otak depan manusia yang terintegrasi secara fungsional untuk mempelajari bagaimana yang disebut interneuron, yang muncul setelah pembentukan sebagian besar neuron dengan migrasi dari otak depan yang berdekatan, dimasukkan ke dalam korteks. Assembloid yang diperoleh dari dua jenis jaringan saraf memungkinkan untuk mempelajari gangguan pada migrasi interneuron pada pasien epilepsi dan autisme.

Bangun di tubuh orang lain

Bahkan dengan semua perbaikan, kemampuan brain-in-a-tube sangat dibatasi oleh tiga kondisi mendasar. Pertama, mereka tidak memiliki sistem vaskular yang memungkinkan mereka mengirimkan oksigen dan nutrisi ke struktur internal mereka. Untuk alasan ini, ukuran otak mini dibatasi oleh kemampuan molekul untuk berdifusi melalui jaringan. Kedua, mereka tidak memiliki sistem kekebalan, yang diwakili oleh sel mikroglia: biasanya sel-sel ini bermigrasi ke sistem saraf pusat dari luar. Ketiga, struktur yang tumbuh dalam larutan tidak memiliki lingkungan mikro spesifik yang disediakan oleh tubuh, yang membatasi jumlah molekul pemberi sinyal yang mencapainya. Solusi untuk masalah ini bisa menjadi penciptaan model hewan dengan otak chimeric.

Karya terbaru Sebuah model in vivo dari organoid otak manusia fungsional dan vaskularisasi oleh ilmuwan Amerika dari Salk Institute di bawah arahan Fred Gage menggambarkan integrasi organel otak manusia (yaitu, otak mini) ke dalam otak tikus. Untuk melakukan ini, para ilmuwan pertama-tama memasukkan gen untuk protein fluoresen hijau ke dalam DNA sel induk sehingga nasib jaringan saraf yang berkembang dapat diamati dengan menggunakan mikroskop. Organoid ditumbuhkan dari sel-sel ini selama 40 hari, yang kemudian ditanamkan ke dalam rongga di korteks retrosplenal tikus yang kekurangan imun. Tiga bulan kemudian, pada 80 persen hewan, implan berakar.

Otak chimeric tikus dianalisis selama delapan bulan. Ternyata organoid, yang dapat dengan mudah dibedakan dengan pendaran protein fluoresen, berhasil diintegrasikan, membentuk jaringan vaskular bercabang, menumbuhkan akson dan membentuk sinapsis dengan proses saraf otak inang. Selain itu, sel mikroglia telah berpindah dari inang ke implan. Akhirnya, para peneliti mengkonfirmasi aktivitas fungsional neuron - mereka menunjukkan aktivitas listrik dan fluktuasi kalsium. Dengan demikian, "otak mini" manusia sepenuhnya memasuki komposisi otak tikus.

Anehnya, integrasi sepotong jaringan saraf manusia tidak mempengaruhi perilaku tikus percobaan. Dalam tes untuk pembelajaran spasial, tikus dengan otak chimeric melakukan hal yang sama seperti tikus normal, dan bahkan memiliki ingatan yang lebih buruk - para peneliti menjelaskan hal ini dengan fakta bahwa untuk implantasi mereka membuat lubang di korteks serebral.

Namun demikian, tujuan dari pekerjaan ini bukan untuk mendapatkan tikus cerdas dengan kesadaran manusia, tetapi untuk membuat model in vivo organel otak manusia yang dilengkapi dengan jaringan vaskular dan lingkungan mikro untuk berbagai keperluan biomedis.

Eksperimen dari jenis yang sama sekali berbeda dipentaskan oleh pengerjaan otak depan oleh sel progenitor glial manusia meningkatkan plastisitas sinaptik dan pembelajaran pada tikus dewasa oleh para ilmuwan di Center for Translational Neuromedicine di University of Rochester pada 2013. Seperti disebutkan sebelumnya, sel-sel otak aksesori manusia (astrosit) sangat berbeda dari hewan lain, khususnya tikus. Untuk alasan ini, para peneliti menyarankan bahwa astrosit memainkan peran penting dalam pengembangan dan pemeliharaan fungsi otak manusia. Untuk menguji bagaimana otak tikus chimeric akan berkembang dengan astrosit manusia, para ilmuwan menanam prekursor sel pembantu di otak embrio tikus.

Ternyata dalam otak chimeric, astrosit manusia bekerja tiga kali lebih cepat daripada tikus. Selain itu, tikus dengan otak chimeric ternyata jauh lebih pintar dari biasanya dalam banyak hal. Mereka lebih cepat berpikir, belajar lebih baik, dan menavigasi labirin. Mungkin, tikus chimeric tidak berpikir seperti manusia, tetapi, mungkin, mereka bisa merasakan diri mereka berada pada tahap evolusi yang berbeda.

Namun, hewan pengerat jauh dari model ideal untuk mempelajari otak manusia. Faktanya adalah bahwa jaringan saraf manusia matang menurut beberapa jam molekuler internal, dan transfernya ke organisme lain tidak mempercepat proses ini. Mengingat tikus hidup hanya dua tahun, dan pembentukan penuh otak manusia membutuhkan waktu beberapa dekade, proses jangka panjang apa pun dalam format otak chimeric tidak dapat dipelajari. Mungkin masa depan ilmu saraf masih menjadi milik otak manusia di akuarium - untuk mengetahui seberapa etisnya, para ilmuwan hanya perlu belajar cara membaca pikiran, dan teknologi modern tampaknya dapat segera melakukannya.