كيف يدرس الباحثون دماغ الإنسان بمعزل عن الجسد

2024 مؤلف: Malcolm Clapton | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 03:46

كيف يصنع العلماء نماذج للدماغ البشري وما هي القضايا الأخلاقية التي يثيرها مثل هذا البحث.

نشرت مجلة Nature أخلاقيات تجربة أنسجة المخ البشري ، وهي رسالة جماعية لـ 17 من علماء الأعصاب البارزين في العالم ، ناقش فيها العلماء التقدم المحرز في تطوير نماذج الدماغ البشري. مخاوف المتخصصين هي كما يلي: من المحتمل أن تصبح النماذج في المستقبل القريب متقدمة جدًا بحيث تبدأ في إعادة إنتاج ليس فقط بنية الدماغ البشري ، ولكن أيضًا وظائفه.

هل من الممكن إنشاء "في أنبوب اختبار" قطعة من النسيج العصبي التي لديها وعي؟ يعرف العلماء بنية دماغ الحيوانات بأدق التفاصيل ، لكنهم لم يكتشفوا بعد أي البنى "ترمز" للوعي وكيفية قياس وجوده ، إذا كنا نتحدث عن دماغ معزول أو ما شابه ذلك.

الدماغ في الحوض

"تخيل الاستيقاظ في غرفة منعزلة للحواس - لا يوجد ضوء ولا صوت ولا محفزات خارجية. فقط وعيك معلق في الفراغ ".

هذه صورة علماء الأخلاق الذين يعلقون على تصريح لعالم الأعصاب بجامعة ييل نيناد سيستان بأن فريقه كان قادرًا على إبقاء دماغ خنزير منعزلًا على قيد الحياة لمدة 36 ساعة.

يُبقي الباحثون أدمغة الخنازير على قيد الحياة خارج الجسم ، تقريرًا عن تجربة ناجحة تم إجراؤه في اجتماع لجنة الأخلاقيات التابعة لمعاهد الصحة الوطنية الأمريكية في أواخر مارس من هذا العام. وقال إنه باستخدام نظام ضخ ساخن يسمى BrainEx وبديل اصطناعي للدم ، حافظ الباحثون على دوران السوائل وإمداد الأكسجين إلى أدمغة معزولة لمئات الحيوانات التي قُتلت في مسلخ قبل ساعتين من التجربة.

بقيت الأعضاء على قيد الحياة ، إذا حكمنا من خلال استمرار نشاط بلايين الخلايا العصبية الفردية. ومع ذلك ، لا يستطيع العلماء تحديد ما إذا كانت أدمغة الخنازير الموضوعة في "الحوض" تحتفظ بعلامات الوعي. إن غياب النشاط الكهربائي ، الذي تم اختباره بطريقة معيارية باستخدام مخطط كهربية الدماغ ، أقنع سيستان أن "هذا الدماغ لا يقلق بشأن أي شيء". من الممكن أن يكون دماغ الحيوان المعزول في غيبوبة ، والتي ، على وجه الخصوص ، يمكن أن تسهلها مكونات المحلول الذي يغسله.

لم يكشف المؤلفون عن تفاصيل التجربة - فهم يعدون منشورًا في مجلة علمية. ومع ذلك ، حتى تقرير سيستان ، الذي كان يفتقر إلى التفاصيل ، أثار اهتمامًا كبيرًا والكثير من التكهنات حول التطوير الإضافي للتكنولوجيا. يبدو أن الحفاظ على الدماغ ليس أكثر صعوبة من الناحية الفنية من الحفاظ على أي عضو آخر للزرع ، مثل القلب أو الكلى.

هذا يعني أنه من الممكن نظريًا الحفاظ على الدماغ البشري في حالة طبيعية إلى حد ما.

يمكن أن تكون الأدمغة المعزولة نموذجًا جيدًا ، على سبيل المثال ، للبحث عن الأدوية: بعد كل شيء ، تنطبق القيود التنظيمية الحالية على الأشخاص الأحياء ، وليس على الأعضاء الفردية. ومع ذلك ، من وجهة نظر أخلاقية ، تظهر العديد من الأسئلة هنا. حتى مسألة موت الدماغ تظل "منطقة رمادية" للباحثين - على الرغم من وجود معايير طبية رسمية ، هناك عدد من الحالات المماثلة ، والتي لا يزال من الممكن العودة إلى نشاط الحياة الطبيعي منها. ماذا يمكننا أن نقول عن الموقف عندما نؤكد أن الدماغ لا يزال على قيد الحياة. ماذا لو استمر الدماغ ، المنعزل عن الجسد ، في الاحتفاظ ببعض أو كل سمات الشخصية؟ ثم من الممكن تخيل الموقف الموضح في بداية المقال.

حيث يتربص الوعي

على الرغم من حقيقة أنه حتى الثمانينيات من القرن العشرين ، كان هناك مؤيدون لنظرية الثنائية ، التي تفصل الروح عن الجسد ، بين العلماء ، في عصرنا ، حتى الفلاسفة الذين يدرسون النفس يتفقون على أن كل ما نسميه الوعي يتولد بواسطة العقل المادي (التاريخ يمكن قراءة السؤال بمزيد من التفصيل ، على سبيل المثال ، في هذا الفصل "أين الوعي: تاريخ القضية وآفاق البحث" من كتاب إريك كانديل الحائز على جائزة نوبل "بحثًا عن الذاكرة").

علاوة على ذلك ، مع التقنيات الحديثة مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، يمكن للعلماء تتبع مناطق الدماغ التي يتم تنشيطها أثناء تمارين عقلية محددة. ومع ذلك ، فإن مفهوم الوعي ككل سريع الزوال ، ولا يزال العلماء غير متفقين على ما إذا كان مشفرًا من خلال مجموعة من العمليات التي تحدث في الدماغ ، أو ما إذا كانت بعض الارتباطات العصبية مسؤولة عن ذلك.

كما يقول كاندل في كتابه ، في المرضى الذين تم فصل نصفي الكرة المخية جراحيًا ، ينقسم الوعي إلى قسمين ، يدرك كل منهما صورة مستقلة عن العالم.

تشير هذه الحالات وما شابهها من ممارسة جراحة الأعصاب على الأقل إلى أنه بالنسبة لوجود الوعي ، فإن سلامة الدماغ كهيكل متماثل غير مطلوب. يعتقد بعض العلماء ، بما في ذلك مكتشف بنية الحمض النووي ، فرانسيس كريك ، الذي أصبح مهتمًا في نهاية حياته بعلم الأعصاب ، أن وجود الوعي يتم تحديده من خلال هياكل معينة في الدماغ.

ربما تكون هذه دوائر عصبية معينة ، أو ربما تكون النقطة في الخلايا المساعدة للدماغ - الخلايا النجمية ، والتي تكون في البشر عالية التخصص مقارنةً بالحيوانات الأخرى. بطريقة أو بأخرى ، وصل العلماء بالفعل إلى نقطة نمذجة الهياكل الفردية للدماغ البشري في المختبر ("في المختبر") أو حتى في الجسم الحي (كجزء من دماغ الحيوانات).

استيقظ في مفاعل حيوي

من غير المعروف متى سيتم إجراء تجارب على أدمغة كاملة مستخرجة من جسم الإنسان - أولاً ، يجب أن يتفق علماء الأعصاب وعلماء الأخلاق على قواعد اللعبة. ومع ذلك ، في المختبرات في أطباق بتري والمفاعلات الحيوية ، أدى ظهور ثقافات دماغية ثلاثية الأبعاد إلى نمو "أدمغة صغيرة" تحاكي بنية الدماغ البشري "الكبير" أو أجزائه المحددة.

في عملية تطور الجنين ، تتشكل أعضائه حتى مراحل معينة وفقًا لبعض البرامج المتأصلة في الجينات وفقًا لمبدأ التنظيم الذاتي. الجهاز العصبي ليس استثناء. وجد الباحثون أنه إذا تم إحداث تمايز في خلايا الأنسجة العصبية في زراعة الخلايا الجذعية بمساعدة مواد معينة ، فإن هذا يؤدي إلى إعادة ترتيب تلقائية في زراعة الخلايا ، على غرار تلك التي تحدث أثناء تشكل الأنبوب العصبي الجنيني.

تتمايز الخلايا الجذعية المستحثة بهذه الطريقة "افتراضيًا" في النهاية إلى خلايا عصبية في القشرة الدماغية ، ومع ذلك ، عن طريق إضافة جزيئات إشارات من الخارج إلى طبق بتري ، على سبيل المثال ، يمكن الحصول على خلايا الدماغ المتوسط أو المخطط أو النخاع الشوكي. اتضح أن آلية داخلية لتكوين القشرة من الخلايا الجذعية الجنينية يمكن أن تنمو في طبق ، قشرة حقيقية ، تمامًا كما هو الحال في الدماغ ، تتكون من عدة طبقات من الخلايا العصبية وتحتوي على الخلايا النجمية المساعدة.

من الواضح أن الثقافات ثنائية الأبعاد تمثل نموذجًا مبسطًا للغاية. ساعد مبدأ التنظيم الذاتي للأنسجة العصبية العلماء على الانتقال بسرعة إلى هياكل ثلاثية الأبعاد تسمى الأجسام الشبه الكروية والعضيات الدماغية. يمكن أن تتأثر عملية تنظيم الأنسجة بالتغيرات في الظروف الأولية ، مثل كثافة الثقافة الأولية وعدم تجانس الخلية ، والعوامل الخارجية. من خلال تعديل نشاط شلالات إشارات معينة ، من الممكن أيضًا تحقيق تكوين هياكل متقدمة في العضوي ، مثل الكوب البصري مع ظهارة الشبكية ، والذي يتفاعل مع تنوع الخلايا وديناميات الشبكة في عضويات الدماغ البشري الحساسة للضوء.

سمح استخدام وعاء خاص والعلاج بعوامل النمو للعلماء بالحصول بشكل هادف على نمذجة التطور القشري البشري في المختبر باستخدام الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات - وهي عضو عضوي دماغي بشري يتوافق مع الدماغ الأمامي (نصفي الكرة الأرضية) مع قشرة ، والتي يتم تطويرها ، بناءً على التعبير عن الجينات والعلامات ، يتوافق مع الأشهر الثلاثة الأولى من نمو الجنين …

وقد طور علماء من ستانفورد بقيادة سيرجيو باسكا خلايا عصبية ونجمة وظيفية من خلايا جذعية بشرية متعددة القدرات في ثقافة ثلاثية الأبعاد ، وهي طريقة لتنمية الكتل التي تحاكي الدماغ الأمامي في طبق بتري. يبلغ حجم هذه "الأدمغة" حوالي 4 مليمترات ، ولكن بعد 9-10 أشهر من النضج ، تتوافق الخلايا العصبية والخلايا النجمية القشرية في هذا الهيكل مع مستوى تطور ما بعد الولادة ، أي مستوى نمو الطفل بعد الولادة مباشرة.

الأهم من ذلك ، أن الخلايا الجذعية لتنمية مثل هذه الهياكل يمكن أن تؤخذ من أشخاص محددين ، على سبيل المثال ، من المرضى الذين يعانون من أمراض محددة وراثيا في الجهاز العصبي. وتشير التطورات في الهندسة الوراثية إلى أن العلماء سيتمكنون قريبًا من ملاحظة تطور دماغ إنسان نياندرتال أو دينيسوفان في المختبر.

في عام 2013 ، نشر باحثون من معهد التكنولوجيا الحيوية الجزيئية التابع للأكاديمية النمساوية للعلوم مقالًا نموذجًا للأشياء العضوية الدماغية لتطور الدماغ البشري وصغر الرأس ، يصف فيها زراعة "دماغ مصغر" من نوعين من الخلايا الجذعية في مفاعل حيوي ، والذي يحاكي بنية الدماغ البشري بأكمله.

تتوافق مناطق مختلفة من العضواني مع أجزاء مختلفة من الدماغ: الخلفية والوسطى والأمامية و "الدماغ الأمامي" حتى أظهرت تمايزًا إضافيًا في الفصوص ("نصفي الكرة الأرضية"). الأهم من ذلك ، في هذا الدماغ الصغير ، الذي لا يتجاوز حجمه أيضًا بضعة ملليمترات ، لاحظ العلماء علامات النشاط ، لا سيما التقلبات في تركيز الكالسيوم داخل الخلايا العصبية ، والتي تعمل كمؤشر على الإثارة (يمكنك القراءة بالتفصيل) حول هذه التجربة هنا).

لم يكن هدف العلماء فقط إعادة إنتاج تطور الدماغ في المختبر ، ولكن أيضًا لدراسة العمليات الجزيئية التي تؤدي إلى صغر الرأس - وهو خلل في النمو يحدث ، على وجه الخصوص ، عند إصابة الجنين بفيروس زيكا. لهذا ، قام مؤلفو العمل بتنمية نفس الدماغ المصغر من خلايا المريض.

على الرغم من النتائج المثيرة للإعجاب ، كان العلماء مقتنعين بأن مثل هذه العضيات غير قادرة على تحقيق أي شيء. أولاً ، يحتوي الدماغ الحقيقي على حوالي 80 مليار خلية عصبية ، ويحتوي العضوي المزروع على عدة أوامر أقل من حيث الحجم. وبالتالي ، فإن الدماغ الصغير ببساطة غير قادر جسديًا على أداء وظائف الدماغ الحقيقي بشكل كامل.

ثانيًا ، نظرًا لخصائص التطور "في المختبر" ، تم تحديد موقع بعض هياكله بطريقة فوضوية إلى حد ما وشكلت روابط غير صحيحة وغير فسيولوجية مع بعضها البعض. إذا كان الدماغ الصغير يفكر في أي شيء ، فمن الواضح أنه شيء غير عادي بالنسبة لنا.

من أجل حل مشكلة تفاعل الأقسام ، اقترح علماء الأعصاب نمذجة الدماغ على مستوى جديد ، وهو ما يسمى "التجميعات". من أجل تكوينها ، تُزرع العضيات أولاً بشكل منفصل ، بما يتوافق مع الأجزاء الفردية من الدماغ ، ثم يتم دمجها.

استخدم العلماء في هذا النهج مجموعة الأجسام الشبه الكروية للدماغ البشري المتكامل وظيفيًا لدراسة كيفية دمج ما يسمى بالعصبونات الداخلية ، والتي تظهر بعد تكوين الجزء الأكبر من الخلايا العصبية عن طريق الهجرة من الدماغ الأمامي المجاور ، في القشرة الدماغية. جعلت التجمعات التي تم الحصول عليها من نوعين من الأنسجة العصبية من الممكن دراسة الاضطرابات في هجرة الخلايا العصبية الداخلية في مرضى الصرع والتوحد.

استيقظ في جسد شخص آخر

حتى مع كل التحسينات ، فإن قدرات الدماغ في الأنبوب مقيدة بشدة بثلاثة شروط أساسية. أولاً ، ليس لديهم نظام الأوعية الدموية الذي يسمح لهم بتوصيل الأكسجين والمواد المغذية إلى هياكلهم الداخلية. لهذا السبب ، فإن حجم الأدمغة الصغيرة محدود بقدرة الجزيئات على الانتشار عبر الأنسجة. ثانيًا ، ليس لديهم جهاز مناعي ، يتم تمثيله بالخلايا الدبقية الدبقية: عادةً ما تهاجر هذه الخلايا إلى الجهاز العصبي المركزي من الخارج. ثالثًا ، لا تحتوي البنية التي تنمو في المحلول على بيئة مكروية معينة يوفرها الجسم ، مما يحد من عدد جزيئات الإشارة التي تصل إليه. يمكن أن يكون حل هذه المشاكل هو إنشاء حيوانات نموذجية بأدمغة خيالية.

يصف العمل الأخير نموذج في الجسم الحي لعضويات دماغية وظيفية وعائية من قبل علماء أمريكيين من معهد سالك تحت إشراف فريد غيج ، دمج عضية دماغية بشرية (أي دماغ صغير) في دماغ فأر.. من أجل القيام بذلك ، قام العلماء أولاً بإدخال الجين الخاص ببروتين فلوري أخضر في الحمض النووي للخلايا الجذعية بحيث يمكن ملاحظة مصير النسيج العصبي النامي باستخدام الفحص المجهري.نمت الكائنات العضوية من هذه الخلايا لمدة 40 يومًا ، ثم تم زرعها في تجويف في القشرة الطحالية الرجعية لفأر يعاني من نقص المناعة. بعد ثلاثة أشهر ، في 80٪ من الحيوانات ، ترسخت الزرعة.

تم تحليل أدمغة الفئران الكيميرية لمدة ثمانية أشهر. اتضح أن العضو العضوي ، الذي يمكن تمييزه بسهولة عن طريق تألق البروتين الفلوري ، تم دمجه بنجاح ، وشكل شبكة وعائية متفرعة ، ونما محاورًا وشكلت نقاط الاشتباك العصبي مع العمليات العصبية للدماغ المضيف. بالإضافة إلى ذلك ، انتقلت الخلايا الدبقية الصغيرة من المضيف إلى الزرع. أخيرًا ، أكد الباحثون النشاط الوظيفي للخلايا العصبية - فقد أظهروا نشاطًا كهربائيًا وتقلبات في الكالسيوم. وهكذا ، دخل "الدماغ الصغير" البشري بشكل كامل في تكوين دماغ الفأر.

والمثير للدهشة أن دمج قطعة من النسيج العصبي البشري لم يؤثر على سلوك الفئران التجريبية. في اختبار للتعلم المكاني ، كان أداء الفئران التي لديها أدمغة كيميرية هو نفسه أداء الفئران العادية ، بل وكانت ذاكرتها أسوأ - أوضح الباحثون ذلك من خلال حقيقة أنهم أحدثوا ثقبًا في القشرة الدماغية عند الانغراس.

ومع ذلك ، لم يكن الهدف من هذا العمل الحصول على فأر ذكي لديه وعي بشري ، ولكن لإنشاء نموذج في الجسم الحي من عضيات دماغية بشرية مجهزة بشبكة وعائية وبيئة مكروية لمختلف الأغراض الطبية الحيوية.

تم إجراء تجربة من نوع مختلف تمامًا عن طريق زرع الدماغ الأمامي بواسطة الخلايا السلفية الدبقية البشرية التي تعزز اللدونة التشابكية والتعلم في الفئران البالغة من قبل العلماء في مركز الطب العصبي الانتقالي بجامعة روتشستر في عام 2013. كما ذكرنا سابقًا ، تختلف خلايا المخ الإضافية البشرية (الخلايا النجمية) اختلافًا كبيرًا عن تلك الموجودة في الحيوانات الأخرى ، ولا سيما الفئران. لهذا السبب ، يقترح الباحثون أن الخلايا النجمية تلعب دورًا مهمًا في تطوير وظائف الدماغ البشري والحفاظ عليها. لاختبار كيفية تطور دماغ الفأر الوهمي مع الخلايا النجمية البشرية ، زرع العلماء سلائف الخلايا المساعدة في أدمغة أجنة الفئران.

اتضح أنه في الدماغ الوهمي ، تعمل الخلايا النجمية البشرية ثلاث مرات أسرع من الفئران. علاوة على ذلك ، تبين أن الفئران ذات الأدمغة الوهمية كانت أكثر ذكاءً من المعتاد من نواحٍ عديدة. لقد كانوا أسرع في التفكير والتعلم بشكل أفضل والتنقل في المتاهة. من المحتمل أن الفئران الكيميرية لم تفكر مثل البشر ، لكن ربما شعروا بأنفسهم في مرحلة مختلفة من التطور.

ومع ذلك ، فإن القوارض بعيدة كل البعد عن النماذج المثالية لدراسة الدماغ البشري. الحقيقة هي أن الأنسجة العصبية البشرية تنضج وفقًا لبعض الساعات الجزيئية الداخلية ، ولا يؤدي نقلها إلى كائن حي آخر إلى تسريع هذه العملية. بالنظر إلى أن الفئران تعيش عامين فقط ، وأن التكوين الكامل للدماغ البشري يستغرق عقدين من الزمن ، فلا يمكن دراسة أي عمليات طويلة الأمد في شكل دماغ خيمري. ربما لا يزال مستقبل علم الأعصاب ينتمي إلى أدمغة البشر في أحواض السمك - لمعرفة مدى أخلاقية ذلك ، يحتاج العلماء فقط إلى تعلم كيفية قراءة العقول ، ويبدو أن التكنولوجيا الحديثة قادرة على فعل ذلك قريبًا.