Как учёные создают модели человеческого мозга и какие этические проблемы поднимают подобные исследования.
Журнал Nature опубликовал The ethics of experimenting with human brain tissue коллективное письмо 17 ведущих мировых нейробиологов, в котором учёные обсудили прогресс в области развития моделей мозга человека. Опасения специалистов заключаются в следующем: вероятно, уже в ближайшее время модели станут настолько продвинутыми, что начнут воспроизводить не только строение, но и функции человеческого мозга.
Возможно ли создать «в пробирке» кусочек нервной ткани, обладающий сознанием? Учёные знают строение мозга животных в мельчайших деталях, но до сих пор не выяснили, какие именно структуры «кодируют» сознание и как именно измерить его наличие, если речь идёт об изолированном мозге или его подобии.
Мозг в аквариуме
«Представьте, что вы очнулись в изолированной камере сенсорной депривации — вокруг нет ни света, ни звуков, никаких внешних стимулов. Только ваше сознание, висящее в пустоте».
Такую картину представляют себе эксперты по этике, комментирующие заявление нейробиолога из Йельского университета Ненада Сестана (Nenad Sestan) о том, что его команде удалось в течение 36 часов поддерживать изолированный мозг свиньи в «живом» состоянии.
Сообщение успешном эксперименте было сделано на собрании этического комитета Национальных институтов здоровья США в конце марта этого года. По словам учёного, при помощи системы насосов с подогревом под названием BrainEx и синтетического заменителя крови исследователи поддерживали циркуляцию жидкости и снабжение кислородом изолированных мозгов сотни животных, умерщвлённых на скотобойне за пару часов до начала эксперимента.
Судя по сохранению активности миллиардов отдельных нейронов, органы оставались живыми. Тем не менее учёные не могут сказать, сохранили ли свиные мозги, помещённые в «аквариум», признаки сознания. Отсутствие электрической активности, проверенной стандартным способом при помощи электроэнцефалограммы, убедило Сестана, что «этот мозг ни о чём не беспокоится». Возможно, что изолированный мозг животного находился в состоянии комы, чему, в частности, могли поспособствовать компоненты омывающего его раствора.
Подробности эксперимента авторы не разглашают — они готовят публикацию в научном журнале. Тем не менее даже бедный на детали доклад Сестана вызвал большой интерес и множество спекуляций на тему дальнейшего развития технологии. Судя по всему, технически сохранение мозга не намного сложнее, чем сохранение любого другого органа для трансплантации, например сердца или почки.
Это значит, что теоретически можно сохранить в более или менее естественном состоянии и мозг человека.
Изолированные мозги могли бы стать хорошей моделью, например, для исследования препаратов: ведь существующие регуляторные ограничения распространяются на живых людей, а не на отдельные органы. Однако с этической точки зрения здесь возникает много вопросов. Даже вопрос смерти мозга остаётся «серой зоной» для исследователей — несмотря на наличие формальных медицинских критериев, существует ряд похожих состояний, из которых возврат к нормальной жизнедеятельности ещё возможен. Что же говорить о ситуации, когда мы утверждаем, что мозг остаётся живым. Что, если изолированный от тела мозг продолжает хранить в себе все или некоторые признаки личности? Тогда вполне можно себе представить ситуацию, описанную в начале статьи.
Кадр из кинофильма «Мозг Донована» / Dowling Productions, 1953
Где скрывается сознание
Несмотря на то, что вплоть до 80-х годов XX века среди учёных существовали сторонники теории дуализма, отделяющей душу от тела, в наше время даже философы, занимающиеся изучением психики, согласны, что всё, что мы называем сознанием, порождается материальным мозгом (историю вопроса более подробно можно прочитать, например, в этой главе «Где находится сознание: история вопроса и перспективы поиска» из книги нобелевского лауреата Эрика Канделя «В поисках памяти»).
Более того, при помощи современных методов, таких как функциональная магнитно-резонансная томография, учёные могут проследить за тем, какие именно участки мозга активируются в процессе выполнения конкретных умственных упражнений. Тем не менее понятие сознания в целом слишком эфемерно, и учёные до сих пор не сошлись во мнении, кодируется ли оно совокупностью процессов, происходящих в мозге, или за него отвечают определённые нейронные корреляты.
Как рассказывает в своей книге Кандель, у пациентов с разделёнными хирургическим путём полушариями мозга сознание как бы расщепляется на два, каждое из которых воспринимает независимую картину мира.
Эти и подобные случаи из нейрохирургической практики указывают по крайней мере на то, что для существования сознания целостности мозга как симметричной структуры не требуется. Некоторые учёные, в том числе первооткрыватель структуры ДНК Фрэнсис Крик, который под конец жизни увлёкся нейробиологией, считают, что наличие сознания определяется конкретными структурами в мозге.
Может быть, это определённые нейронные цепочки, а может быть, дело во вспомогательных клетках мозга — астроцитах, которые у человека, по сравнению с другими животными, довольно сильно специализированы. Так или иначе, до моделирования отдельных структур мозга человека in vitro («в пробирке») или даже in vivo (в составе мозга животных) учёные уже дошли.
Очнуться в биореакторе
Неизвестно, как скоро дело дойдёт до экспериментов на целых мозгах, извлечённых из тела человека, — сначала специалисты по нейробиологии и по этике должны договориться о правилах игры. Тем не менее в лабораториях в чашках Петри и биореакторах уже вовсю выращивают «мини-мозги», имитирующие по структуре «большой» человеческий мозг или его конкретные отделы.
Трёхмерные органоиды в чашке Петри / Genome Institute of Singapore
В процессе развития эмбриона его органы формируются до определённых стадий согласно некоей заложенной в генах программе по принципу самоорганизации. Не составляет исключения и нервная система. Исследователи обнаружили, что, если в культуре стволовых клеток при помощи определённых веществ индуцировать дифференциацию в клетки нервной ткани, это приводит к самопроизвольным перестройкам в клеточной культуре, похожим на те, что происходят при морфогенезе нервной трубки эмбриона.
Индуцированные таким образом стволовые клетки «по умолчанию» дифференцируются в конечном итоге в нейроны коры головного мозга, однако путём добавления извне сигнальных молекул в чашке Петри можно получить, например, клетки среднего мозга, стриатума или спинного мозга. Оказалось, что в чашке можно выраститьAn intrinsic mechanism of corticogenesis from embryonic stem cells настоящую кору, так же, как и в мозге, состоящую из нескольких слоев нейронов и содержащую вспомогательные астроциты.
Понятно, что двумерные культуры представляют собой сильно упрощённую модель. Принцип самоорганизации нервной ткани помог учёным быстро перейти на трёхмерные структуры, называемые сфероидами и церебральными органоидами. На процесс организации ткани можно повлиять изменением начальных условий, таких как исходная плотность культуры и гетерогенность клеток, и экзогенными факторами. Модулируя активность определённых сигнальных каскадов, можно добиться даже формирования у органоида продвинутых структур, таких как глазной бокал с эпителием сетчатки, реагирующимCell diversity and network dynamics in photosensitive human brain organoids на свет.
Схема самоорганизации клеточной массы, полученной из стволовых клеток человека (hPS), в мозговой органоид c глазным бокалом под действием градиента ростовых факторов и неравномерного размножения клеток / Sergiu P. Pașca, Nature 2018
Использование специального сосуда и обработка ростовыми факторами позволила учёным направленно получить человеческий церебральный органоид, соответствующий переднему мозгу (полушариям) с корой, развитие которой, судя по экспрессии генов и маркеров, соответствовала первому триместру развития плода.
А учёные из Стэнфорда под руководством Сергиу Паска (Sergiu Pasca) разработали способ выращивать комочки, имитирующие передний мозг, прямо в чашке Петри. Размером такие «мозги» около 4 миллиметров, однако после 9–10 месяцев созревания кортикальные нейроны и астроциты в этой структуре соответствуют постнатальному уровню развития, то есть уровню развития младенца сразу после рождения.
Что немаловажно, стволовые клетки для выращивания таких структур можно брать у конкретных людей, например у пациентов с генетически обусловленными заболеваниями нервной системы. А успехи генной инженерии позволяют предположить, что скоро учёные смогут пронаблюдать in vitro за развитием мозга неандертальца или денисовца.
В 2013 году исследователи из Института молекулярных биотехнологий Австрийской академии наук опубликовали статью Cerebral organoids model human brain development and microcephaly, описывающую выращивание в биореакторе из двух типов стволовых клеток «мозга в миниатюре», имитирующего по строению мозг человека целиком.
Разные зоны органоида соответствовали разным отделам головного мозга: заднему, среднему и переднему, а «передний мозг» даже демонстрировал дальнейшую дифференциацию на доли («полушария»). Что немаловажно, в этом мини-мозге, размер которого также не превышал нескольких миллиметров, учёные наблюдали признаки активности, в частности колебания концентрации кальция внутри нейронов, которые служат показателем их возбуждения (подробно прочитать об этом эксперименте можно здесь).
Целью учёных 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 такой же мини-мозг из клеток больного.
Срез церебрального органоида с разными отделами, окрашенный при помощи иммуногистохимии на маркеры нейронов (зелёным) и клеток-предшественниц (красным) / Madeline A. Lancaster et al, Nature 2013
Несмотря на впечатляющие результаты, учёные были уверены, что такие органоиды неспособны что-либо осознавать. Во-первых, в настоящем мозге содержится около 80 миллиардов нейронов, а в выращенном органоиде их на порядки меньше. Таким образом, мини-мозг просто физически не способен в полной мере выполнять функции настоящего мозга.
Во-вторых, из-за особенностей развития «в пробирке» некоторые его структуры оказались расположены довольно хаотично и сформировали неправильные, нефизиологичные связи друг с другом. Если мини-мозг что-то и думал, это явно было что-то непривычное нам.
Для того чтобы решить проблему взаимодействия отделов, нейробиологи предложили моделировать мозг на новом уровне, который получил название «ассемблоиды». Для их формирования сначала отдельно выращивают органоиды, соответствующие отдельным участкам мозга, а затем их сливают.
Такой подход учёные использовали для изучения того, как в кору встраиваются так называемых интернейроны, которые появляются уже после формирования основной массы нейронов путем миграции из соседнего отдела переднего мозга. Ассемблоиды, полученные из двух типов нервной ткани, позволили изучить нарушения процесса миграции интернейронов у больных эпилепсией и аутизмом.
Очнуться в чужом теле
Даже со всеми улучшениями возможности «мозгов в пробирке» сильно ограничены тремя принципиальными условиями. Во-первых, у них нет сосудистой системы, позволяющей доставлять кислород и питательные вещества к внутренним структурам. По этой причине размеры мини-мозгов ограничены возможностью диффузии молекул через ткань. Во-вторых, у них нет иммунной системы, представленной клетками микроглии: в норме эти клетки мигрируют в центральную нервную систему извне. В-третьих, у структуры, растущей в растворе, нет специфического микроокружения, предоставляемого организмом, что ограничивает количество сигнальных молекул, поступающих к ней. Решением этих проблем могло бы стать создание модельных животных с химерным мозгом.
В свежей работе американских учёных из института Солка под руководством Фреда Гейджа (Fred Gage) описывается интеграция человеческого церебрального органоида (то есть мини-мозга) в мозг мыши. Для того чтобы это сделать, учёные сперва встроили в ДНК стволовых клеток ген зелёного флуоресцентного белка, чтобы за судьбой развивающейся нервной ткани можно было наблюдать при помощи микроскопии. Из этих клеток в течение 40 дней выращивали органоиды, которые после имплантировали в полость в ретроспленальной коре иммунодефицитной мыши. Через три месяца у 80 процентов животных имплант прижился.
Химерные мозги мышей анализировали в течение восьми месяцев. Оказалось, что органоид, который можно было легко различить по свечению флуоресцентного белка, успешно интегрировался, образовал разветвлённую сосудистую сеть, отрастил аксоны и сформировал синапсы с нервными отростками хозяйского мозга. Кроме того, от хозяина в имплантат перебрались клетки микроглии. Наконец, исследователи подтвердили функциональную активность нейронов — они демонстрировали электрическую активность и колебания кальция. Таким образом, человеческий «мини-мозг» полноценно вошёл в состав мозга мыши.
Схема интеграции человеческого мозгового органоида в мозг мыши (вверху) и изображение прижившегося органоида (внизу) / Abed AlFatah Mansour et al, Nature Biotechnology 2018
Как ни удивительно, на поведении подопытных мышей интеграция куска человеческой нервной ткани не сказалась. В тесте на пространственное обучение мыши с химерным мозгом демонстрировали те же результаты, что и обычные мыши, и отличались даже худшей памятью — исследователи объяснили это тем, что для имплантации им проделали отверстие в коре полушарий.
Тем не менее целью этой работы было не получение умной мыши с человеческим сознанием, а создание in vivo модели церебральных органоидов человека, снабжённых сетью сосудов и микроокружением для различных биомедицинских целей.
Эксперимент совсем другого рода поставили учёные из Центра трансляционной нейромедицины университета Рочестера в 2013 году. Как было упомянуто ранее, вспомогательные клетки мозга (астроциты) человека сильно отличаются от клеток других животных, в частности мышей. По этой причине исследователи предполагают, что астроциты играют немаловажную роль в развитии и поддержании функций мозга человека. Чтобы проверить, как будет развиваться химерный мозг мыши с человеческими астроцитами, учёные подсадили предшественников вспомогательных клеток в мозг мышиных эмбрионов.
Оказалось, что в химерном мозге человеческие астроциты работают в три раза быстрее, чем мышиные. Более того, мыши с химерным мозгом оказались существенно умнее обычных по многим параметрам. Они быстрее соображали, лучше обучались и ориентировались в лабиринте. Наверное, химерные мыши не мыслили как люди, но, возможно, смогли почувствовать себя на другой ступени эволюции.
Тем не менее для изучения человеческого мозга грызуны далеко не идеальная модель. Дело в том, что человеческая нервная ткань созревает согласно неким внутренним молекулярным часам, и перенесение её в другой организм не ускоряет этот процесс. Учитывая, что мыши живут всего два года, а полное формирование человеческого мозга занимает пару десятилетий, любые долгосрочные процессы в формате химерного мозга изучать невозможно. Возможно, будущее нейробиологии всё-таки за человеческими мозгами в аквариумах — для выяснения того, насколько это этично, учёным надо всего лишь научиться читать мысли, а современная техника, кажется, скоро позволит это сделать.
