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Os cientistas estão cultivando “minicérebros” (também conhecidos como organoides cerebrais) em placas de Petri, na esperança de usar esses aglomerados de células nervosas cerebrais para simular algumas funções cerebrais e aprofundar e mudar nossa compreensão do neurodesenvolvimento e das doenças cerebrais.

Eles estão trabalhando duro para torná-los mais parecidos com os cérebros humanos e têm feito progressos particularmente rápidos nos últimos anos. Eles também descobriram alguns fenômenos surpreendentes, como neurônios cultivados in vitro que disparam espontaneamente. neurônios no cérebro humano Uma maneira de estabelecer novas conexões; ondas cerebrais ativas semelhantes às observadas nos cérebros de bebês prematuros foram observadas em organoides cerebrais, e essa atividade elétrica coordenada em todo o cérebro é uma das marcas registradas dos cérebros conscientes.

Portanto, uma questão torna-se urgente: esses organoides cerebrais eventualmente levarão à consciência? Os cientistas estão procurando respostas.

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Na década de 1980, a filósofa americana Hilary Putnam propôs o famoso experimento mental “cérebro em uma cuba”. Menos de meio século depois, os biólogos conseguiram desenvolver “minicérebros numa cuba” da vida real – organoides cerebrais – em placas de laboratório.（organoides cerebrais）。

Embora este seja um aglomerado de células nervosas cerebrais com apenas alguns milímetros de largura, ele já pode simular algumas funções cerebrais. E logo enfrentamos uma questão importante: esses organoides cerebrais poderiam produzir consciência?

A pesquisa de organoides cerebrais está progredindo rapidamente

organoides(organoide)também chamados de microorganismos（mini-órgão）Como o nome sugere, é um modelo em miniatura semelhante a um órgão real. É auto-organizado através da cultura tridimensional de células-tronco pluripotentes ou células adultas in vitro. É altamente semelhante à estrutura dos órgãos humanos e pode reproduzir alguns. funções do órgão imitado.

A origem dos organoides remonta a 1907, quando HV Wilson, professor de zoologia da Universidade da Carolina do Norte, publicou um artigo[1], revelando que as células esponjosas separadas mecanicamente podem se remontar e se auto-organizar em novas esponjas que também têm funções vitais normais.

Na década de 1950, outros cientistas realizaram os mesmos experimentos usando outras células animais, mostrando que as células dos vertebrados tinham a capacidade de se auto-organizar. Isso estabeleceu uma característica importante que era indispensável para a futura tecnologia de cultivo de organoides: a capacidade de auto-organização, assim como. As células são enroladas. Desde que seja fornecido um ambiente de cultura adequado, as células desempenharão suas funções e se auto-organizarão para formar organoides.[2]。

A tecnologia de células-tronco é outra chave para o desenvolvimento florescente dos organoides. Na década de 1980, a equipe do ex-cientista soviético AJ Friedenstein conduziu uma série de experimentos de ponta e descobriu um tipo de célula-tronco osteoblástica na medula óssea.[3]ou células-tronco estromais da medula óssea[4], pode gerar uma variedade de tecidos ósseos através de experimentos in vivo[5]. Na década de 1990, Arnold Caplan, professor de biologia da Case Western Reserve University, nos Estados Unidos, renomeou-a como células-tronco mesenquimais.（Célula-tronco mesenquimal, MSC）[6], e eventualmente este título foi geralmente aceito pela comunidade acadêmica. MSC está confirmado[7]É uma célula-tronco pluripotente com capacidade de auto-renovação e diferenciação multidirecional. Pode ser transformada em vários tipos de células e tem amplo valor de aplicação clínica.

Ainda na década de 1980, o professor James Thomson, biólogo do desenvolvimento da Universidade de Wisconsin-Madison, também se dedicou por muito tempo a esse campo, explorando o potencial das células-tronco em primatas. Até 1998, ele usou embriões humanos doados para construir a primeira linhagem de células-tronco embrionárias humanas do mundo.[8]. Em 2007, ele colaborou com a equipe de Shinya Yamanaka na Universidade de Kyoto, no Japão, e induziu com sucesso células adultas humanas em células-tronco pluripotentes.(iPSC)[9]. As células iPSC têm potencial para proliferar indefinidamente in vitro. Elas não só podem expressar marcadores de células-tronco em células-tronco embrionárias, mas também têm potencial para se diferenciar em células ou tecidos das três camadas germinativas.[10]。

Neste ponto, tudo está pronto. O rápido desenvolvimento nos campos das propriedades auto-organizadas e das células-tronco injetou uma nova vitalidade na pesquisa de organoides. A primeira década do século 21 deu início a uma exibição florescente de resultados: os organoides do fígado.[11], organoides intestinais[12], retina, próstata, pulmão, rim, mama, organoides cerebrais, etc. foram cultivados com sucesso, um após o outro. Os organoides se tornaram um tópico de pesquisa importante com seu rápido desenvolvimento. Em 2013, organoides foram citados pela Science（Ciência）Journal elegeu as dez melhores tecnologias do ano[13]. Outros 10 anos depois, em sua previsão das "Dez principais tecnologias inovadoras globais" em 2023, o MIT Technology Review previu que, à medida que os pesquisadores exploram como projetar tecidos complexos a partir do zero, cultivar órgãos personalizados em fábricas e projetar a fabricação de órgãos, a tecnologia amadurecerá nos próximos 10-15 anos.

Entre muitos organoides, os organoides cerebrais são um capítulo particularmente colorido. Durante centenas de anos, desvendar os mistérios do desenvolvimento do cérebro humano e das doenças neurológicas tem sido um grande desafio nas áreas da ciência do cérebro e da medicina. A comunidade académica tem feito vários esforços, não apenas estabelecendo vários modelos celulares e animais in vitro e in vivo. , mas também tentando usar métodos II Dimensionais para cultivar neurônios do cérebro humano para analisar os mecanismos de doenças relacionadas. No entanto, para modelos animais, devido a diferenças de espécies, os modelos cerebrais de animais de laboratório não podem simular completamente a complexidade do cérebro humano, e os resultados experimentais podem não ser totalmente aplicáveis ​​ao cérebro humano. A estrutura espacial, a complexidade dos tipos de células, as interações e o microambiente dos neurônios bidimensionais cultivados em uma placa de cultura também estão longe daqueles do cérebro humano tridimensional.[14]。

Os organoides cerebrais apenas compensam as deficiências acima. Em 2008, o biólogo japonês de células-tronco Yoshiki Sasai(Yoshiki Sasai)Descoberta da equipe[15], neuroesferas derivadas da organização espontânea de células-tronco podem produzir estruturas semelhantes a corticais, incluindo células progenitoras corticais e neurônios funcionais. Este é o primeiro modelo organoide cerebral primário. Em 2013, Jürgen Knoblich, do Instituto de Biotecnologia Molecular da Academia Austríaca de Ciências, e Madeline Lancaster, bióloga do desenvolvimento da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, relataram na Nature（Natureza）Artigos publicados[16], relataram os primeiros organoides cerebrais tridimensionais derivados de células-tronco pluripotentes humanas. A equipe usou o biogel matrigel para simular o tecido ao redor do cérebro e usou um biorreator rotativo para auxiliar na absorção de nutrientes e na difusão de oxigênio nessa cultura de suspensão tridimensional contínua. Ao adicionar fatores de crescimento que promovem o desenvolvimento neural, foi finalmente obtida uma cultura organoide cerebral melhorada, que contém múltiplas estruturas de áreas cerebrais independentes e interdependentes semelhantes ao prosencéfalo, plexo coróide, hipocampo e lobo pré-frontal.

Posteriormente, cientistas de todo o mundo continuaram a explorar vários organoides cerebrais específicos de regiões do cérebro. Eles combinaram diferentes moléculas pequenas e fatores de crescimento e obtiveram com sucesso organoides cerebrais, incluindo o mesencéfalo, tálamo, cerebelo, corpo estriado, etc. Outros cientistas estão tentando montar dois ou mesmo vários organoides da região do cérebro para formar "quase-montagens"(assemblóides), para simular ainda mais o desenvolvimento do cérebro humano, a migração de neurônios e outros processos em condições reais. Por exemplo, um artigo de 2019 publicado na Cell Stem Cells（Célula Célula-Tronco）Artigos em periódicos[17]Funda organoides talâmicos com organoides corticais para simular o processo de projeção bidirecional neuronal entre o tálamo e o córtex. Além da montagem de múltiplas regiões cerebrais, também existem estudos[18]Ao reunir organoides cerebrais com organoides não neuronais, como o tecido muscular, e observar a inervação dos nervos para outros tecidos, obtivemos resultados semelhantes aos do corpo humano real.

Um diagrama simples do desenvolvimento da tecnologia organoide cerebral, fonte: 10.1038/s41392-022-01024-9[19]

Diferenças do cérebro real

Na verdade, os organoides cerebrais têm apenas alguns milímetros de diâmetro e são aglomerados de células semelhantes às do cérebro. Por ser um minimodelo cultivado em laboratório, apresenta vantagens que outros métodos de pesquisa do cérebro não apresentam. Por exemplo, quando os eletrodos são conectados a organoides cerebrais, eles podem desencadear sinalização entre os neurônios, imitando espontaneamente um cérebro real.

Então, os organoides cerebrais são versões em miniatura de cérebros reais? Este não é o caso, e os organoides cerebrais atuais não correspondem exatamente aos cérebros reais.

Primeiro, a desvantagem mais significativa dos organoides cerebrais é que eles param de crescer depois de alguns milímetros porque não há vasos sanguíneos para fornecer oxigênio e nutrientes. Diferente dos tecidos biológicos naturais, o crescimento dos organoides cerebrais depende da solução nutritiva que penetra na placa de cultura. Depois de crescer até um determinado tamanho, uma vez que os nutrientes são insuficientes, o crescimento para e as células começam a morrer no centro. Já quando eles crescem para algo como O cérebro real teve uma morte trágica muito antes de acontecer isso. Portanto, várias equipes estão tentando encontrar maneiras de cultivar vasos sanguíneos em organoides cerebrais, cultivar organoides vascularizados e fundi-los com organoides cerebrais, ou abrir canais artificialmente em organoides cerebrais para permitir que mais solução nutritiva seja derramada neles.[20]。

Em segundo lugar, ao contrário dos cérebros reais, os organoides cerebrais carecem de informações sensoriais do ambiente circundante, o que é uma das chaves indispensáveis ​​para o desenvolvimento dos circuitos cerebrais. Os organoides cerebrais não têm olhos para ver, ouvidos para ouvir, nariz para identificar cheiros e boca para saborear. Isolados em uma placa de Petri, os organoides cerebrais são incapazes de codificar autonomamente experiências e informações sem informações sensoriais.[21]

Um artigo publicado na revista Nature em 2020 apresenta uma visão relativamente contida[22], afirmando que os modelos organoides cerebrais amplamente utilizados atualmente são incapazes de replicar características básicas do desenvolvimento e organização real do cérebro, e muito menos simular os circuitos cerebrais complexos necessários para doenças cerebrais complexas e cognição normal. Os pesquisadores descobriram que uma das razões por trás disso é a “crise de identidade” das células organoides: as células organoides cerebrais normalmente não conseguem se diferenciar em subtipos celulares únicos, e uma “mistura” de vários genes pode ser encontrada em tipos de células completamente diferentes, permitindo o desenvolvimento. a programação é desorganizada. Outra razão é que o método de cultura de laboratório faz com que as células fiquem "estressadas": todos os modelos organoides cerebrais expressam níveis anormalmente elevados de genes de resposta ao estresse celular, causando comportamento celular anormal e produção de proteínas anormais, fazendo com que as células organoides falhem no desenvolvimento normal.[23, 24]。

O processo de desenvolvimento do cérebro real é como uma sinfonia. Vários instrumentos tocam ao mesmo tempo e cooperam entre si sob a coordenação do maestro para executar um movimento complexo bonito e harmonioso. Para que os organoides cerebrais alcancem tal nível de complexidade, os cientistas organoides acabaram de dar o primeiro passo.

Os organoides cerebrais darão origem à consciência?

Embora os organoides cerebrais ainda estejam longe dos cérebros reais, isso não impede os cientistas de pensarem no futuro sobre uma questão: Será que os "brainóides em placas de Petri" acabarão por produzir consciência?

Com base no cenário de pesquisa atual, a maioria dos cientistas organoides cerebrais acreditam que os organoides cerebrais não irão e não podem desenvolver formas de consciência.

Lancaster, que foi o primeiro a desenvolver organoides cerebrais, acredita que os organoides cerebrais atuais ainda são muito primitivos para produzir consciência. Eles não possuem a anatomia necessária para criar padrões complexos de eletroencefalograma. Embora os organoides cerebrais “possam ter neurônios se comunicando entre si na ausência de entrada e saída, isso não implica necessariamente em algo que se assemelhe ao estado da mente humana”.[25]Na opinião de Lancaster e da maioria dos pesquisadores, é mais provável que “reviver” cérebros de porcos mortos produza consciência do que organoides cerebrais.

Em junho deste ano, Kenneth Kosik, neurocientista da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, publicou um artigo na Patterns（Padrões）Um artigo de opinião foi publicado na revista[26], propôs que a pesquisa organoide cerebral pode eventualmente criar consciência em laboratório, mas essa possibilidade não existe com base na tecnologia atual ou mesmo na tecnologia de um futuro próximo.

Em primeiro lugar, como mencionado acima, embora as falhas consideráveis ​​dos organoides cerebrais sugiram que ainda não satisfazem qualquer definição operacional de consciência, ainda existem muitos obstáculos que os cientistas têm de ultrapassar para superar estas falhas. Ainda é muito cedo para dizer se os organoides levarão à consciência.

Em segundo lugar, filósofos e cientistas têm explorado a questão “o que é consciência” há milhares de anos. Existem várias teorias e ainda falta uma definição universalmente reconhecida. A ciência moderna classifica a consciência na categoria de questões científicas e a explica do ponto de vista dos mecanismos neurais. Ela pode ser dividida em quatro tipos de teorias: teorias de ordem superior.(QUENTE), teoria do espaço de trabalho neural global(GNWT), teoria da informação integrada(IIT)e teorias de reentrada e pré-condicionamento. Essas teorias não apenas exploram a questão da consciência ao redor do cérebro, mas também enfatizam a importância da interação entre o corpo do sujeito e o ambiente, afetando diversas habilidades exigidas para a consciência: representação, sentidos, percepção, etc. Uma das características mais óbvias dos organoides cerebrais é que eles estão completamente separados do corpo e não têm histórico de experiência física, seja em movimento ou percepção. Embora os experimentos tenham mostrado que a atividade de disparo neural nos organoides cerebrais é semelhante à forma como o cérebro codifica padrões relacionados à experiência, permanece um problema: uma estrutura que pode codificar a experiência, mas não tem histórico de experiência.(organoides cerebrais)A consciência pode surgir? A consciência existiria sem conteúdo?

Em 2022, Kosik eraNautilusLongos artigos publicados em revistas[27]Foi proposto que a razão importante pela qual os organoides cerebrais não têm consciência é que eles não possuem a propriedade central – a capacidade de abstrair. A consciência requer um processo de abstração baseado em correlações entre nossas impressões do mundo sensorial e feedback motor. Quando vemos uma maçã vermelha sobre a mesa, o seguinte processo é desencadeado: a luz refletida pelo objeto ativa os fotorreceptores na retina e envia um sinal ao cérebro. O sinal contém informações ricas sobre a cor, tamanho e ambiente do; objeto. Após muitos anos de experiência no mundo, os padrões de descarga correspondentes às palavras “vermelho” e “maçã” foram gerados e, eventualmente, “percebemos” que há uma maçã vermelha sobre a mesa. A atividade de disparo neural dos organoides cerebrais não está relacionada a nada na realidade.

Claro, também existem cientistas que têm opiniões positivas, disse Anil Seth, neurocientista cognitivo da Universidade de Sussex, no Reino Unido, em um podcast da “Nature”.[28]Zhong disse que não descarta a possibilidade de organoides cerebrais produzirem consciência. À medida que a complexidade dos organoides cerebrais e sua semelhança com o cérebro humano continuam a aumentar, é inteiramente possível que eles possuam consciência, mesmo que sua estrutura não seja completamente equivalente. para a experiência do cérebro humano.

Embora a maioria dos cientistas tenha uma visão negativa, algumas experiências interessantes sugerem que os elementos básicos da consciência podem ter surgido gradualmente.

No laboratório do neurocientista Alysson Muotri, da Universidade da Califórnia, em San Diego, centenas de placas de Petri contêm organoides cerebrais do tamanho de sementes de gergelim flutuando nelas. Ele usou vários métodos incomuns para manipular organoides cerebrais, e um de seus experimentos atraiu atenção generalizada. Em 2019, a equipe de Moutri publicou um artigo na revista "Cell Stem Cells"[29]Relata a criação de organoides cerebrais que produzem ondas coordenadas de atividade, semelhantes às observadas nos cérebros de bebês prematuros. Esta atividade elétrica coordenada em todo o cérebro é uma das marcas da consciência, por isso a equipe acredita que os organoides cerebrais imitam essencialmente os estágios iniciais do desenvolvimento do cérebro humano. Porém, também há dúvidas sobre esse resultado, principalmente porque as ondas cerebrais semelhantes às dos bebês prematuros não significam que os organoides cerebrais possam ser equiparados ao cérebro do bebê. Além disso, as ondas cerebrais dos bebês são diferentes das dos adultos, muitas vezes apresentando flutuações muito confusas e irregulares.

Uma bandeja de organoides cerebrais no laboratório de Muotri Crédito: David Poller/ZUMA Wire, via Alamy Live News.

No mesmo ano, Hideya Sakaguchi da Universidade de Kyoto (Hideya Sakaguchi)A equipe relata na revista Stem Cell Reports[30], visualizou com sucesso a atividade de rede e as conexões entre neurônios individuais em esferóides corticais. A equipe detectou mudanças dinâmicas na atividade do íon cálcio e descobriu atividade integrada entre células que foram capazes de se organizar em aglomerados e formar redes com outros aglomerados próximos. As manifestações de atividade neural sincronizada podem estar subjacentes a uma variedade de funções cerebrais relacionadas, incluindo a memória. Outro destaque das descobertas é que os neurônios que crescem fora do corpo disparam espontaneamente, que é uma das maneiras pelas quais os neurônios crescem e fazem novas conexões no cérebro humano.

Questões éticas inevitáveis

A comunidade acadêmica tem opiniões diferentes sobre a questão da consciência, mas os cientistas também percebem que é muito mais fácil criar um sistema consciente do que defini-lo. Como resultado, a investigação sobre organoides cerebrais está a destacar um ponto cego: os cientistas não têm uma forma acordada de definir e medir a consciência.

Até o próprio Muotri admite que não sabe qual definição usar para determinar se um organoide atingiu um estado consciente. Portanto, se os organoides cerebrais podem produzir consciência tornou-se a preferência teórica pessoal dos pesquisadores científicos, o que afetará os métodos e propósitos de pesquisa pessoal.

Então, planeje com antecedência. Anil Set propôs que, na ausência de qualquer método claro para avaliar o estado consciente dos organoides, uma estrutura ética deve ser determinada preventivamente. Karen Rommelfanger, diretora do Programa de Neuroética da Universidade Emory, nos Estados Unidos, concorda, dizendo que as diferenças entre as pesquisas sobre organoides cerebrais e outros organoides corporais envolvem não apenas aspectos biológicos, mas também aspectos éticos. Andrea Lavazza, da Universidade de Pavia, na Itália, acredita que, no futuro, os organoides poderão demonstrar a capacidade de experimentar sensações básicas como a dor, demonstrando assim a percepção e até mesmo formas básicas de consciência. Isto exige que consideremos se os organoides cerebrais devem receber status ético e quais restrições devem ser introduzidas para regular a pesquisa[31]。

Referências

[1] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/jez.1400090305

[2] https://www.360zhyx.com/home-research-index-rid-74706.shtml

[3] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-2184.1987.tb01309.x

[4] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9780470513637.ch4

[5] https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1934590908001148

[6] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jor.1100090504

[7] https://www.science.org/doi/10.1126/science.284.5411.143

[8] https://www.science.org/doi/10.1126/science.282.5391.1145

[9] https://www.science.org/doi/10.1126/science.1151526

[10] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%AF%B1%E5%AF%BC%E6%80%A7%E5%A4%9A%E8%83%BD%E5%B9% B2%E7%BB%86%E8%83%9E

[11] https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ten.2006.12.1627

[12] https://www.nature.com/articles/nature07935

[13] https://www.science.org/content/article/sciences-top-10-breakthroughs-2013

[14] https://m.thepaper.cn/baijiahao_20603927

[15] https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(08)00455-4?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1934590908004554 %3Fshowall%3Dtrue

[16] https://www.nature.com/articles/nature12517

[17] https://www.cell.com/cms/10.1016/j.stem.2018.12.015/attachment/3c78ab81-5238-4756-ace6-4b73fa2292d6/mmc1.pdf

[18] https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31534-8?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867420315348%3Fshowall%3Dtrue

[19] https://www.nature.com/articles/s41392-022-01024-9#citeas

[20] http://www.news.cn/health/2023-02/03/c_1211724659.htm

[21] https://www.livescience.com/health/neuroscience/we-can-t-answer-these-questions-neuroscientist-kenneth-kosik-on-whether-lab-grown-brains-will-alcançar-consciência

[22] https://www.nature.com/articles/s41586-020-1962-0

[23] https://www.ucsf.edu/news/2020/01/416526/not-brains-dish-cerebral-organoids-flunk-comparison-developing-nervous-system

[24] https://theconversation.com/brain-organoids-help-neuroscientists-understand-brain-development-but-arent-perfect-matches-for-real-brains-130178#:~:text=Organoid%20cells% 20também%20não,não%20refletido%20nos%20organoides.

[25] https://www.kepuchina.cn/more/202011/t20201117_2842435.shtml

[26] https://www.cell.com/patterns/fulltext/S2666-3899(24)00136-3#%20

[27] https://nautil.us/what-the-tiny-cluster-of-brain-cells-in-my-lab-are-telling-me-246650/

[28] https://www.nature.com/articles/d41586-020-03033-6#MO0

[29] https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(19)30337-6

[30] https://www.cell.com/stem-cell-reports/fulltext/S2213-6711(19)30197-3

[31] https://link.springer.com/article/10.1007/s40592-020-00116-y

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