новости

Ученые выращивают «мини-мозг» (также известный как органоиды мозга) в чашках Петри, надеясь использовать эти скопления нервных клеток мозга для моделирования некоторых функций мозга, а также углубить и изменить наше понимание нейроразвития и заболеваний мозга.

Они усердно работают над тем, чтобы сделать их более похожими на человеческий мозг, и добились особенно быстрого прогресса в последние годы. Они также обнаружили некоторые удивительные явления, такие как нейроны, выращенные в пробирке, которые спонтанно активируются. Это признак роста и развития. нейроны в человеческом мозге. Один из способов установления новых связей; активные мозговые волны, подобные тем, которые наблюдаются в мозге недоношенных детей, наблюдались в органоидах мозга, и эта скоординированная электрическая активность всего мозга является одним из признаков сознательного мозга.

Поэтому актуальным становится вопрос: приведут ли эти органоиды мозга в конечном итоге к сознанию? Ученые ищут ответы.

Написанный |

В 1980-х годах американский философ Хилари Патнэм предложила знаменитый мысленный эксперимент «мозг в бочке». Менее чем полвека спустя биологи смогли вырастить в лабораторных чашках настоящие «мини-мозги в чане» — церебральные органоиды.(органоиды мозга)。

Хотя это скопление нервных клеток головного мозга шириной всего несколько миллиметров, оно уже может имитировать некоторые функции мозга. И вскоре мы столкнулись с важным вопросом: могут ли такие органоиды мозга производить сознание?

Исследования органоидов мозга стремительно продвигаются вперед

органоиды（органоид）также называемые микроорганизмами（мини-орган）Как следует из названия, это миниатюрная модель, похожая на настоящий орган. Он самоорганизуется посредством трехмерной культуры плюрипотентных стволовых клеток или взрослых клеток in vitro. Он очень похож на структуру человеческих органов и может воспроизводить некоторые из них. функции имитируемого органа.

Происхождение органоидов можно проследить до 1907 года, когда Х. В. Уилсон, профессор зоологии Университета Северной Каролины, опубликовал статью[1], показывая, что механически разделенные клетки губок могут собираться и самоорганизовываться в новые губки, которые также имеют нормальные жизненные функции.

К 1950-м годам другие учёные провели такие же эксперименты с клетками других животных, показав, что клетки позвоночных обладают способностью к самоорганизации. Это установило важную особенность, которая была необходима для будущей технологии культивирования органоидов: способность к самоорганизации, подобная способности. Клетки свернуты, пока имеется подходящая культуральная среда, клетки будут выполнять свои обязанности и самоорганизовываться, образуя органоиды.[2]。

Технология стволовых клеток — еще один ключ к бурному развитию органоидов. В 1980-х годах группа бывшего советского учёного А.Ю. Фриденштейна провела серию передовых экспериментов и обнаружила в костном мозге тип стволовых клеток остеобластов.[3]или стромальные стволовые клетки костного мозга[4], могут генерировать различные костные ткани посредством экспериментов in vivo.[5]. В 1990-х годах Арнольд Каплан, профессор биологии Университета Кейс Вестерн Резерв в США, переименовал его в мезенхимальные стволовые клетки.(Мезенхимальные стволовые клетки, МСК)[6], и в конечном итоге это название было общепринято академическим сообществом. MSC подтверждено[7]Это плюрипотентная стволовая клетка со способностью к самообновлению и разнонаправленной дифференцировке. Она может трансформироваться в различные типы клеток и имеет широкое клиническое применение.

Также в 1980-х годах профессор Джеймс Томсон, биолог развития из Университета Висконсин-Мэдисон, также долгое время посвятил себя этой области, исследуя потенциал стволовых клеток у приматов. До 1998 года он использовал донорские человеческие эмбрионы для создания первой в мире линии эмбриональных стволовых клеток человека.[8]. В 2007 году он сотрудничал с командой Синья Яманаки в Киотском университете в Японии и успешно превратил взрослые клетки человека в плюрипотентные стволовые клетки.(ИПСК)[9]. Клетки ИПСК обладают потенциалом неограниченно пролиферировать in vitro. Они могут не только экспрессировать маркеры стволовых клеток в эмбриональных стволовых клетках, но также обладают потенциалом дифференцироваться в клетки или ткани трех зародышевых листков.[10]。

На данный момент все готово. Быстрое развитие в области самоорганизующихся свойств и стволовых клеток придало новую жизнь исследованиям органоидов. Первое десятилетие XXI века ознаменовалось бурным появлением результатов: органоидов печени.[11], кишечные органоиды[12]Органоиды сетчатки, простаты, легких, почек, груди, мозга и т. д. были успешно культивированы один за другим. Органоиды стали горячей темой исследований из-за их быстрого развития. В 2013 году органоиды были упомянуты журналом Science.（Наука）Журнал назвал десятку лучших технологий года[13]. Еще 10 лет спустя, в своем прогнозе «Десяти лучших глобальных прорывных технологий» в 2023 году, MIT Technology Review предсказал, что по мере того, как исследователи изучают, как создавать сложные ткани с нуля, выращивать индивидуальные органы на заводах и разрабатывать производство органов, технология будет развиваться. в ближайшие 10-15 лет.

Среди многих органоидов органоиды мозга представляют собой особенно яркую главу. На протяжении сотен лет разгадка тайн развития человеческого мозга и неврологических заболеваний была серьезной задачей в области науки о мозге и медицины. Академическое сообщество предпринимало различные усилия, не только создавая различные модели клеток и животных in vitro и in vivo. , но также пытаются использовать двухмерные методы, используемые для культивирования нейронов человеческого мозга для анализа механизмов связанных заболеваний. Однако что касается моделей животных, из-за видовых различий лабораторные модели мозга животных не могут полностью имитировать сложность человеческого мозга, а результаты экспериментов могут быть не полностью применимы к человеческому мозгу. Пространственная структура, сложность типов клеток, взаимодействия и микроокружение двумерных нейронов, выращенных в культуральной чашке, также далеки от структуры трехмерного человеческого мозга.[14]。

Церебральные органоиды как раз восполняют вышеперечисленные недостатки. В 2008 году японский биолог стволовых клеток Йошики Сасай(Ёсики Сасаи)Открытие команды[15], нейросферы, полученные в результате спонтанной организации стволовых клеток, могут производить кортикальные структуры, включая кортикальные клетки-предшественники и функциональные нейроны. Это первая первичная органоидная модель мозга. В 2013 году Юрген Кноблих из Института молекулярной биотехнологии Австрийской академии наук и Мэдлин Ланкастер, биолог развития из Кембриджского университета в Великобритании, сообщили в журнале Nature:（Природа）Опубликованные статьи[16]сообщили о первых трехмерных органоидах головного мозга, полученных из плюрипотентных стволовых клеток человека. Команда использовала биогель-матригель для моделирования ткани, окружающей мозг, и использовала вращающийся биореактор, чтобы способствовать поглощению питательных веществ и диффузии кислорода в такой непрерывной трехмерной суспензионной культуре. Путем добавления факторов роста, способствующих развитию нейронов, наконец была получена еще более улучшенная культура органоидов мозга, которая содержит множество независимых и взаимозависимых структур областей мозга, подобных переднему мозгу, сосудистому сплетению, гиппокампу и префронтальной доле.

Впоследствии ученые во всем мире продолжили исследовать различные органоиды мозга, специфичные для определенных областей мозга. Они объединили различные небольшие молекулы и факторы роста и успешно получили органоиды мозга, включая средний мозг, таламус, мозжечок, полосатое тело и т. д. Другие учёные пытаются соединить два или даже несколько органоидов областей мозга, чтобы сформировать «квазисборки».（ассемблеиды）, для дальнейшего моделирования развития человеческого мозга, миграции нейронов и других процессов в реальных условиях. Например, статья 2019 года, опубликованная в журнале Cell Stem Cells.（Клетка Стволовая Клетка）Статьи в журналах[17]Объедините таламические органоиды с кортикальными органоидами, чтобы имитировать процесс двунаправленной проекции нейронов между таламусом и корой головного мозга. Помимо сборки нескольких областей мозга, существуют также исследования[18]Объединив органоиды мозга с ненейронными органоидами, такими как мышечная ткань, и наблюдая за иннервацией нервов в другие ткани, мы получили результаты, аналогичные тем, которые наблюдаются в реальном человеческом организме.

Простая схема развития органоидной технологии мозга, источник: 10.1038/s41392-022-01024-9.[19]

Отличия от настоящего мозга

На самом деле органоиды мозга имеют размер всего несколько миллиметров и представляют собой скопления клеток, похожих на клетки головного мозга. Будучи мини-моделью, выращенной в лаборатории, она обладает преимуществами, которых нет у других методов исследования мозга. Например, когда электроды подключаются к органоидам мозга, они могут запускать передачу сигналов между нейронами, спонтанно имитируя реальный мозг.

Итак, являются ли органоиды мозга миниатюрными версиями настоящего мозга? Это не так, и современные органоиды мозга не совсем соответствуют реальному мозгу.

Во-первых, самым существенным недостатком органоидов мозга является то, что они перестают расти уже через несколько миллиметров, поскольку в них нет кровеносных сосудов, обеспечивающих кислород и питательные вещества. В отличие от естественных биологических тканей, рост органоидов мозга зависит от питательного раствора, проникающего в культуральную чашку. После роста до определенного размера, когда питательных веществ становится недостаточно, рост прекращается, и клетки начинают умирать из центра. Уже тогда, когда они вырастают до чего-то вроде Настоящий мозг умер трагической смертью задолго до этого. Поэтому различные команды пытаются найти способы вырастить кровеносные сосуды в органоидах мозга, культивировать васкуляризированные органоиды и соединить их с органоидами мозга или искусственно открыть каналы в органоидах мозга, чтобы в них можно было вливать больше питательного раствора. Создавать более зрелые синапсы.[20]。

Во-вторых, в отличие от настоящего мозга, органоидам мозга не хватает сенсорной информации из окружающей среды, что является одним из незаменимых ключей к развитию мозговых цепей. У органоидов мозга нет глаз, чтобы видеть, ушей, чтобы слышать, носа, чтобы различать запахи, и рта, чтобы ощущать вкус. Изолированные в чашке Петри органоиды мозга неспособны автономно кодировать опыт и информацию без сенсорной информации.[21]

В статье, опубликованной в журнале Nature в 2020 году, высказывается относительно сдержанная точка зрения.[22], заявляя, что в настоящее время широко используемые органоидные модели мозга не способны воспроизвести основные особенности реального развития и организации мозга, не говоря уже о моделировании сложных мозговых цепей, необходимых для сложных заболеваний головного мозга и нормального познания. Исследователи обнаружили, что одной из причин этого является «кризис идентичности» органоидных клеток: органоидные клетки мозга не могут нормально дифференцироваться в уникальные подтипы клеток, а «мешанина» различных генов может быть обнаружена в совершенно разных типах клеток, что позволяет программирование приходит в беспорядок. Другая причина заключается в том, что метод лабораторной культуры вызывает у клеток «стресс»: все модели органоидов мозга экспрессируют аномально высокие уровни генов клеточной реакции на стресс, вызывая аномальное поведение клеток и выработку аномальных белков, что в конечном итоге приводит к нарушению нормального развития клеток-органоидов.[23, 24]。

Процесс развития настоящего мозга подобен симфонии. Различные инструменты играют одновременно и взаимодействуют друг с другом под руководством дирижера, исполняя красивое и гармоничное сложное движение. Чтобы органоиды мозга достигли такого уровня сложности, ученые-органоиды только что сделали первый шаг.

Смогут ли органоиды мозга дать начало сознанию?

Хотя органоиды мозга еще далеки от настоящего мозга, это не мешает ученым задуматься над вопросом: смогут ли «брейноиды в чашках Петри» в конечном итоге произвести сознание?

Основываясь на текущих исследованиях, большинство ученых-органоидов мозга полагают, что органоиды мозга не будут и не смогут развивать формы сознания.

Ланкастер, который первым вырастил органоиды мозга, считает, что нынешние органоиды мозга все еще слишком примитивны, чтобы создавать сознание. Им не хватает анатомии, необходимой для создания сложных структур электроэнцефалограммы. Хотя органоиды мозга «могут иметь нейроны, сообщающиеся друг с другом при отсутствии входных и выходных сигналов, это не обязательно подразумевает что-либо напоминающее состояние человеческого разума».[25]По мнению Ланкастера и большинства исследователей, «оживление» мозга мертвой свиньи с большей вероятностью создаст сознание, чем органоиды мозга.

В июне этого года Кеннет Косик, нейробиолог из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, опубликовал статью в журнале Patterns.（Узоры）В журнале опубликовано мнение[26], предположил, что исследования органоидов мозга могут в конечном итоге создать сознание в лаборатории, но такая возможность не существует, исходя из нынешних технологий или даже технологий ближайшего будущего.

Во-первых, как упоминалось выше, хотя значительные недостатки органоидов мозга позволяют предположить, что они еще не соответствуют какому-либо оперативному определению сознания, ученым еще предстоит преодолеть множество препятствий, чтобы преодолеть эти недостатки. Пока еще слишком рано говорить, приведут ли органоиды к сознанию.

Во-вторых, философы и ученые исследуют вопрос «что такое сознание» на протяжении тысячелетий. Существуют различные теории, а общепризнанного определения до сих пор нет. Современная наука относит сознание к категории научных проблем и объясняет его с точки зрения нейронных механизмов. Его можно разделить на четыре типа теорий: теории высшего порядка.(ГОРЯЧИЙ), глобальная теория нейронного рабочего пространства(ЗСЗТ), интегрированная теория информации(ИИТ)и теории повторного входа и предобусловливания. Эти теории не только исследуют проблему сознания вокруг мозга, но и подчеркивают важность взаимодействия между телом субъекта и окружающей средой, влияющего на различные способности, необходимые для сознания: представление, чувства, восприятие и т. д. Одной из наиболее очевидных особенностей органоидов мозга является то, что они полностью отделены от тела и не имеют истории физического опыта, ни в движении, ни в восприятии. Хотя эксперименты показали, что активация нейронов в органоидах мозга аналогична тому, как мозг кодирует паттерны, связанные с опытом, остается проблема: структура, которая может кодировать опыт, но не имеет истории опыта.(органоиды мозга)Может ли возникнуть сознание? Будет ли сознание существовать без содержания?

Еще в 2022 году Косик былНаутилусДлинные статьи, опубликованные в журналах[27]Было высказано предположение, что важная причина, по которой органоиды мозга не обладают сознанием, заключается в том, что они не обладают основным свойством — способностью абстрагировать абстракции. Сознание требует процесса абстракции, основанного на корреляции между нашими впечатлениями от сенсорного мира и двигательной обратной связью. Когда мы видим на столе красное яблоко, запускается следующий процесс: свет, отраженный объектом, активирует фоторецепторы сетчатки и посылает сигнал в мозг, содержащий богатую информацию о цвете, размере и окружающей среде яблока; объект. . После многих лет опыта в мире были созданы модели разрядов, соответствующие словам «красный» и «яблоко», и в конце концов мы «понимаем», что на столе лежит красное яблоко. Нейронная активность органоидов мозга ни с чем не связана в реальности.

Конечно, есть и ученые, придерживающиеся положительного мнения, сказал в подкасте Nature Анил Сет, когнитивный нейробиолог из Университета Сассекса в Великобритании.[28]Чжун сказал, что он не исключает возможности того, что органоиды мозга производят сознание. Поскольку сложность органоидов мозга и их сходство с человеческим мозгом продолжают увеличиваться, они вполне могут обладать сознанием, даже если их структура не полностью эквивалентна. опыту человеческого мозга.

Хотя большинство ученых придерживаются отрицательной точки зрения, некоторые интересные эксперименты позволяют предположить, что основные элементы сознания могли возникнуть постепенно.

В лаборатории нейробиолога Алиссона Муотри в Калифорнийском университете в Сан-Диего сотни чашек Петри содержат плавающие в них органоиды мозга размером с кунжутное семя. Он использовал различные необычные методы манипулирования органоидами мозга, и один из его экспериментов привлек всеобщее внимание. В 2019 году команда Мутри опубликовала статью в журнале «Cell Stem Cells».[29]Сообщается о создании мозговых органоидов, которые производят скоординированные волны активности, подобные тем, которые наблюдаются в мозге недоношенных детей. Эта скоординированная электрическая активность всего мозга является одним из признаков сознания, поэтому команда считает, что органоиды мозга по сути имитируют ранние стадии развития человеческого мозга. Однако в этом результате есть и сомнения, главным образом потому, что мозговые волны, сходные с волнами недоношенных детей, не означают, что органоиды мозга можно приравнивать к мозгу ребенка. Более того, мозговые волны младенцев отличаются от таковых у взрослых и часто демонстрируют очень беспорядочные и нерегулярные колебания.

Поднос с органоидами мозга в лаборатории Муотри. Фото: Дэвид Поллер/ZUMA Wire, через Alamy Live News.

В том же году Хидея Сакагути из Киотского университета (Хидэя Сакагучи)Об этом команда сообщает в журнале Stem Cell Reports.[30], успешно визуализировал сетевую активность и связи между отдельными нейронами в кортикальных сфероидах. Команда обнаружила динамические изменения в активности ионов кальция и обнаружила интегрированную активность между клетками, которые были способны организовываться в кластеры и образовывать сети с другими близлежащими кластерами. Проявления синхронизированной нейронной активности могут лежать в основе множества смежных функций мозга, включая память. Еще одним важным моментом результатов является то, что нейроны, выросшие вне тела, активируются спонтанно, что является одним из способов роста нейронов и создания новых связей в человеческом мозге.

Неизбежные этические проблемы

В академическом сообществе существуют разные мнения по вопросу сознания, но ученые также осознают, что создать сознательную систему гораздо проще, чем дать ей определение. В результате исследования органоидов мозга выявили «слепое пятно»: у ученых нет единого способа определения и измерения сознания.

Даже сам Муотри признается, что не знает, какое определение использовать, чтобы определить, достиг ли органоид сознательного состояния. Таким образом, вопрос о том, могут ли органоиды мозга производить сознание, стал личным теоретическим предпочтением научных исследователей, которое повлияет на методы и цели личных исследований.

Итак, планируйте заранее. Анил Сет предположил, что в отсутствие какого-либо четкого метода оценки сознательного состояния органоидов необходимо заранее определить этические рамки. Карен Роммельфангер, директор программы нейроэтики в Университете Эмори в США, соглашается, говоря, что различия между исследованиями органоидов мозга и других органоидов тела включают не только биологические аспекты, но и этические аспекты. Андреа Лавацца из Университета Павии в Италии считает, что в будущем органоиды могут продемонстрировать способность испытывать базовые ощущения, такие как боль, тем самым демонстрируя восприятие и даже базовые формы сознания. Это требует от нас задуматься о том, следует ли придавать органоидам мозга этический статус и какие ограничения следует ввести для регулирования исследований.[31]。

Ссылки

[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-achieve-сознание

[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% 20также%20нет, а не%20отражается%20в%20%20органоидах.

[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

Специальное напоминание

1. Войдите в меню «Колонка бутика» в нижней части официального аккаунта WeChat «Назад к основам», чтобы просмотреть серию научно-популярных статей на разные темы.

2. «Назад к основам» предусмотрена функция поиска статей по месяцам. Подпишитесь на официальный аккаунт и укажите в ответе четырехзначный год + месяц, например «1903», чтобы получить индекс статьи за март 2019 года и так далее.

Заявление об авторских правах: частные лица могут делать репосты. Любым средствам массовой информации или учреждениям не разрешается перепечатывать или цитировать отрывки без разрешения. Для получения разрешения на перепечатку свяжитесь с серверной частью через официальный аккаунт WeChat «Хуэй Пу».