Wie Forscher das menschliche Gehirn isoliert aus dem Körper zu studieren

Die Zeitschrift Nature veröffentlichtDie Ethik des mit menschlichem Gehirngewebe zu experimentieren robin 17 führende Neurowissenschaftler, wo Wissenschaftler die Fortschritte bei der Entwicklung der menschlichen Gehirn Modelle diskutiert. Befürchtungen der Experten sind wie folgt: wahrscheinlich in naher Zukunft wird das Modell so weit fortgeschritten sein, dass sie nicht nur die Struktur spielen würden, sondern auch die menschliche Hirnfunktionen.

Ist es möglich, ein „in vitro“ ein Stück von Nervengeweben zu schaffen, hat das Bewusstsein? Wissenschaftler kennen die Struktur des Gehirns von Tieren im Detail, aber erst jetzt, welche Art von Struktur gefunden „Encode“ der Geist und wie seine Gegenwart zu messen, wenn es um das isolierte Gehirn oder dergleichen kommt.

Das Gehirn im Aquarium

„Stellen Sie sich vor, dass Sie in einem isolierten Isolationstank aufgewacht - um es gibt kein Licht, kein Ton, keine äußeren Reize. Nur dein Bewusstsein, in der Leere hängen. "

Dieses Bild repräsentieren sich Experten über Ethik, auf eine Erklärung von Neurowissenschaftler Nenad Yale University kommentiert Sestao (Nenad Sestan), dass sein Team innerhalb von 36 Stunden geschafft, die isoliert Schweinehirn in der „live“ zu halten Zustand.

NachrichtDie Forscher halten Schwein Gehirn am Leben außerhalb des Körpers erfolgreiche Experiment wurde bei einem Treffen der Ethikkommission der National Institutes of Health am Ende März dieses Jahr. Nach Angaben der Wissenschaftler, mit einem Pumpensystem mit BrainEx und synthetischem Ersatz für Blut betitelte beheizt, Forscher unterstützt Flüssigkeitszirkulation und Sauerstoffzufuhr zu Hunderten von Gehirn isoliert Tieren, in einem Schlachthof getötet in ein paar Stunden vor dem experimentieren.

Gemessen an der Erhaltung Aktivität von Milliarden von einzelnen Neuronen, blieben die Körper am Leben. Allerdings können die Wissenschaftler nicht sagen, ob die erhaltenen Schweinefleisch Gehirn, im „Aquarium“ gesetzt, Anzeichen von Bewusstsein. Das Fehlen der elektrischen Aktivität, eine bewährte Standardmethode ein Elektroenzephalogramm, überzeugt Sestao, dass „das Gehirn entweder nicht über etwas besorgt.“ Es ist möglich, dass ein isoliertes Tier Gehirn in einem Zustand der Koma, die sich insbesondere auf das Waschen der Komponenten seiner Lösung beitragen könnten.

Nähere Informationen zu den Autoren offenbaren nicht das Experiment - sie eine Veröffentlichung in einer wissenschaftlichen Zeitschrift vorbereiten. Aber auch in den armen Teilen Sestao berichten sie großes Interesse und eine Menge Spekulationen über die weitere Entwicklung der Technologie geweckt. Offenbar ist die Erhaltung des Gehirns nicht technisch viel schwieriger als jede andere Organkonservierung für die Transplantation, wie Herz oder Niere.

Dies bedeutet, dass theoretisch in einem mehr oder weniger natürlichen Zustand und dem menschlichen Gehirn gespeichert werden.

Isolierte Gehirn könnte ein gutes Modell sein, zum Beispiel, für die Untersuchung von Drogen: weil die bestehenden rechtlichen Beschränkungen für die Menschen gelten, und nicht auf den einzelnen Organen. Jedoch aus ethischer Sicht stellt sich viele Fragen. Auch die Frage des Hirntod bleibt eine „Grauzone“ für die Forscher - trotz der Existenz der formalen medizinischen Kriterien, gibt es eine Reihe von ähnlichen Zuständen, von denen eine Rückkehr in ein normales Leben mehr möglich. Was können wir die Situation sagen, wenn wir sagen, dass das Gehirn noch am Leben ist. Was aus dem Körper isoliert, wenn weiterhin das Gehirn alle oder einige der Zeichen der Identität in sich selbst gehalten werden? Dann ist es möglich, die Situation beschrieben oben in diesem Artikel vorstellen.

Wo Bewusstsein liegt

Trotz der Tatsache, dass bis zu 80-er Jahre des XX Jahrhunderts gab es unter den Wissenschaftlern Befürworter der Theorie des Dualismus, der die Seele vom Körper trennt, in unserer Zeit, auch Philosophen, widmet sich dem Studium der Psyche sind wir uns einig, dass alles, was wir nennen ist das Bewusstsein durch das Material Gehirn erzeugt (Geschichte der Ausgabe kann im Detail, zum Beispiel zu lesen, in diesem KapitelWo ist das Bewußtsein: der Hintergrund und Forschungsperspektiven aus dem Buch von Nobelpreisträger Eric Kandel "In Search of Memory").

Darüber hinaus werden mit den heutigen Techniken, wie funktionelle Kernspintomographie, Wissenschaftler sehen zu können, welche Art von Bereichen des Gehirns aktiviert werden, während der Ausführung von spezifischen geistigen ausübt. Dennoch ist der Begriff des Bewußtseins als Ganze zu kurzlebig, und die Wissenschaftler noch zugestimmt haben nicht, ob es eine Reihe von Prozessen im Gehirn auftreten, oder es codiert wird, treffen bestimmen neuronalen Korrelate.

Es erzählt in seinem Buch, Kandel, bei Patienten mit chirurgisch getrennt Hemisphären des Gehirns Bewusstsein, wie es in zwei Teile aufgeteilt wurden, von denen jede eine unabhängige Sicht auf die Welt empfängt.

Diese und ähnliche Fälle von neuro Praxis zeigen zumindest die Tatsache, dass die Existenz des Bewusstseins des Gehirn Integrität als symmetrische Struktur ist nicht erforderlich. Einige Wissenschaftler, darunter der Entdecker der DNA-Struktur, Francis Crick, der das Lebens am Ende wurde interessiert in den Neurowissenschaften, wird angenommen, dass das Vorhandensein des Bewußtseins durch die spezifischen Strukturen im Gehirn bestimmt.

Vielleicht ist es bestimmte neuronale Kette und kann der Fall zur Unterstützung Gehirnzellen sein - AstrozytenDass eine Person hat, verglichen mit anderen Tieren ist es ganz spezialisiert. Wie auch immer, vor der Modellierung von individuellen menschlichen Hirnstrukturen in vitro ( "In vitro") oder sogar in vivo (Im Rahmen von Tiere Gehirn) Wissenschaftler haben bereits erreicht.

Wake up in dem Bioreaktor

Es ist nicht bekannt, wie schnell es zu Versuchen über ganze Gehirn aus dem menschlichen Körper extrahiert kommt - erste Spezialisten in den Neurowissenschaften und Ethik über die Regeln des Spiels müssen übereinstimmen. Dennoch sind bereits in den Labors in Petrischalen und Bioreaktoren sind gewachsenDer Aufstieg des dreidimensionalen menschlichen Gehirns Kulturen „Mini-Gehirn“, dass imitieren die Struktur der „großen“ das menschliche Gehirn oder eine bestimmte Abteilung.

in dem Programm eingebettet nach dem Prinzip der Selbstorganisation während der embryonalen Entwicklung ihrer Organe werden nach bestimmten Stadien bestimmter Gene gebildet. Ist da keine Ausnahme und das Nervensystem. Die Forscher fanden heraus, dass, wenn eine Kultur von Stammzellen bestimmten Substanzen unter Verwendung von Differenzierung zu Nervenzellen zu induzieren, Gewebe, dies führt zu einer spontanen Rearrangements in Zellkultur, ähnlich denen, die während des Neuralrohrs Morphogenese auftreten Embryo.

„Standard“ auf diese Weise induzierten Stammzellen differenzieren in den Kortex-Neuronen enden Gehirn, sondern externe Signalmoleküle in einer Petrischale durch Zugabe kann hergestellt werden, zum Beispiel Zellen Mittelhirn, Striatum oder des Rückenmarks. Es stellte sich heraus, dass in der Schale gezüchtet werdenEin intrinsischer Mechanismus des Kortikogenese aus embryonalen Stammzellen Diese Rinde sowie im Gehirn, die aus mehreren Schichten von Neuronen und Astrozyten enthaltenden Hilfsmitteln.

Es ist klar, dass die zweidimensionalen Kulturen Modell stark vereinfacht werden. Das Prinzip der Selbstorganisation des Nervengewebes hat Wissenschaftler dazu beigetragen, schnell zu dreidimensionalen Strukturen Sphäroide Organellen genannt und zerebralen zu springen. Auf dem Prozess der Organisation des Gewebes kann durch Änderungen in den Anfangsbedingungen, wie die anfängliche Dichte der Kultur und die Heterogenität der Zellen und exogene Faktoren beeinflusst werden. Modulierung der Aktivität bestimmter Signalwege, können Sie sogar die Bildung von Organell fortgeschrittenen Strukturen erreichen, wie die Augenbecher mit Retina-Epithel, reaktionsZell Vielfalt und Netzwerk-Dynamik in lichtempfindlichen menschlichem Gehirn Organoide ans Licht.

Mit Hilfe eines speziellen Verarbeitungsbehälter und Wachstumsfaktoren erlaubt Wissenschaftlern richtungs erhaltenDie Modellierung menschliche kortikale Entwicklung in vitro Verwendung von induzierten pluripotenten Stammzellen menschlichen cerebrale organoiden entsprechende Vorderhirns (Hemisphären) Rinde, deren Entwicklung, nach der Expression von Genen und Marker entspricht dem ersten Trimester der fötalen Entwicklung.

Ein Wissenschaftler von der Stanford führte Serghiou Pask (Sergiu Pasca) entwickeltFunktionelle kortikale Neuronen und Astrozyten aus humanem pluripotenten Stammzellen in 3D-Kultur Art und Weise Klumpen zu wachsen, die das Vorderhirn direkt in der Petrischale zu simulieren. Die Größe solcher „Gehirn“ von etwa 4 Millimeter, aber nach 9-10 Monaten Reifen kortikalen Neuronen und Astrozyten in dieser Struktur entsprechen,Menschliche Astrocyte Ausreifung Captured in 3D Hirnrinden Sphäroiden aus pluripotenten Derived Stem Cells postnatale Entwicklung Ebene, dh das Niveau der Entwicklung des Babys unmittelbar nach der Geburt.

Wichtig ist, dass bei bestimmten Personen, wie zum Beispiel Patienten mit einer genetisch bedingten Erkrankungen des Nervensystems genommen werden die Stammzellen diese Strukturen wachsen kann. Ein gentechnischer Erfolg deutet darauf hin, dass die Wissenschaftler bald in der Lage sein, zu beobachten in vitro die Entwicklung des Neandertaler-Gehirn oder denisovtsa.

Im Jahr 2013 Forscher vom Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ein Papier veröffentlichtCerebral Organoide Modell menschlichen Entwicklung des Gehirns und MikrozephalieBeschreibung der Kultivierung in einem Bioreaktor, der zwei Arten von Stammzellen „das Gehirn in Miniatur“, die Struktur des menschlichen Gehirns als Ganzes zu imitieren.

Organell unterschiedliche Zonen entsprechen verschiedene Teile des Gehirns: hinten, mittlere und vordere und „Vorhirn“ sogar eine weitere Differenzierung in Anteile ( „Hemisphere“) zeigen. Was wichtig ist, in diesem Mini-Gehirn, deren Höhe sich auch als wenige Millimeter nicht mehr ist, beobachteten die Forscher Anzeichen von Aktivität, insbesondere Schwankungen der Calciumkonzentration innerhalb von Neuronen, die von ihren Anregungs indikativ sind (Einzelheiten dieses Experiments Lese können hier).

Das Ziel der Wissenschaftler war nicht nur die Entwicklung des Gehirns zu reproduzieren in vitroAber auch die molekularen Prozesse zu studieren, die Mikrozephalie führen zu - Entwicklungsstörungen, die während der Infektion des Embryos Zika Virus insbesondere auftreten. Für diese Arbeit erhöht die Autoren die gleiche Mini-Gehirn der Zellen des Patienten.

Trotz der beeindruckenden Ergebnisse konnten die Forscher zuversichtlich, dass eine solche Organellen nicht in der Lage sind, etwas zu realisieren. Zum einen in diesem Gehirn enthält etwa 80 Milliarden Neuronen und ihre Organellen um Größenordnungen kleiner geworden. Somit ist das Mini-Gehirn einfach nicht körperlich in der Lage vollständig die Funktionen des Gehirns führen.

Zum anderen wird durch die Natur der „in vitro“ einige seiner Strukturen waren ziemlich chaotisch und unregelmäßig geformten, nicht-physiologischen Verbindungen miteinander befinden. Wenn die Mini-Gehirn etwas und dachte, es war eindeutig etwas Ungewöhnliches zu uns.

Um das Problem der Interaktion zwischen den Abteilungen zu lösen, haben Neurowissenschaftler Modell Gehirn auf eine neue Ebene vorgeschlagen, die „assembloidy“ genannt wurde. Für ihre Bildung erste entsprechende separate Abschnitte des Gehirns separat Organellen gezüchtet, und dann werden sie aufgeschmolzen.

Dieser Ansatz haben Wissenschaftler verwendetBaugruppe funktional integrierter menschlichen Vorderhirns Sphäroiden zu untersuchen, wie die Kruste, die sogenannten Inter gebaut, das sich von benachbarten Vorderhirns nach der Bildung der Großteil der Neuronen, die durch Migration erscheinen. Assembloidy abgeleitet aus zwei Arten von Nervengewebe, erlaubt Verletzungen Euron Migration mit Epilepsie und Autismus bei Patienten zu untersuchen.

Wake up in Körper einer anderen Person

Selbst mit all den Verbesserungen möglich „Gehirn in vitro“ stark eingeschränkt durch drei grundlegende Bedingungen. Zum einen haben sie nicht ein Gefäßsystem, die Zufuhr von Sauerstoff und Nährstoffen zu den internen Strukturen ermöglicht. Aus diesem Grunde ist die Größe der Mini-Gehirne auf die Diffusion von Molekülen durch das Gewebe beschränkt. Zweitens haben sie kein Immunsystem, durch Mikroglia-Zellen zur Verfügung gestellt: normal, wandern diese Zellen in das zentrale Nervensystem von außen. Drittens, in der Struktur, in der Lösung zu erhöhen, gibt es keine durch den Körper zur Verfügung gestellt spezifische Mikroumgebung, die die Anzahl von Signalmolekülen Eingabe ihn begrenzt. Die Lösung dieser Probleme wäre ein chimäres Tiermodell, das Gehirn zu erstellen.

In der letzten Arbeitein in vivo Modell der funktionalen und menschliche Gehirn Organoide vaskularisiert Amerikanische Wissenschaftler vom Salk Institute unter Leitung von Fred Gage (Fred Gage) ist es, die Integration des menschlichen Hirn Organell beschreibt (dh Mini-Gehirn) im Gehirn der Maus. Um dies zu tun, wird zuerst die Forscher in die DNA des grün fluoreszierenden Proteins an das Schicksal des entwickelnden Nervengewebestammzelle Gene eingebaut mit einem Mikroskop beobachtet werden kann. Aus diesen Zellen wurden 40 Tage lang Organellen gewachsen, dass nach dem in den Hohlraum in der implantierte retrosplenialen Kortex immundefizienten Maus. Nach drei Monaten 80 Prozent der Tiere auf dem Implantat gefangen.

Chimäre Mäuse Gehirne wurden für acht Monate analysiert. Es wurde gefunden, dass die Organellen, die leicht durch Glühen eines fluoreszierenden Proteins unterschieden werden kann, erfolgreich integriert ist, eine umfangreiche Vaskulatur gebildet wuchsen die Axonen und gebildet Synapsen mit Nervenprozessen Master-Gehirn. Darüber hinaus vom Host in das Implantat bewegte Mikroglia-Zellen. Schließlich bestätigten die Forscher die funktionelle Aktivität von Neuronen - sie elektrische Aktivität und Calcium Schwankungen zeigte. So wurde der Mensch „Mini-Gehirn“ vollständig Teil des Mäusehirns.

Überraschenderweise wird das Verhalten der Versuchsmäuse Integration des menschlichen Nervengewebestückes nicht betroffen. In dem Test für räumliches Lernen chimäre Maushirn zeigte die gleichen Ergebnisse wie die von normalen Mäusen und unterschied sich noch schlechter Erinnerung - die Forscher erklären dies durch die Tatsache, dass sie für die Implantation von einem Loch in der Rinde getan haben Hemisphären.

Dennoch war das Ziel dieser Arbeit nicht immer klug Maus mit menschlichem Bewusstsein und die Schaffung von in vivo Modell der zerebralen Organellen Person ist mit einem Netz von Gefäßen und Mikroumgebung für verschiedene biomedizinische Anwendungen ausgestattet.

Das Experiment war eine ganz andere Art von Put-Vorderhirn Verpflanzung von menschlichen Glia-Vorläuferzellen verbessert die synaptische Plastizität und in erwachsenen Mäusen zu lernen Wissenschaftler vom Zentrum für Translationale neyromeditsiny die University of Rochester im Jahr 2013. Wie bereits erwähnt, unterscheiden Hilfsmarkzellen (Astrozyten) Menschliche aus anderen tierischen Zellen, insbesondere von Mäusen. Aus diesem Grund schlagen die Forscher vor, dass Astrozyten eine wichtige Rolle bei der Entwicklung und Pflege der menschlichen Gehirnfunktionen spielen. Zu testen, wie eine Chimäre Maus mit menschlichem Gehirn Astrozyten zu entwickeln, haben Wissenschaftler Vorgänger akzessorischen Zellen im Gehirn von Maus-Embryonen platziert.

Es stellte sich heraus, dass in den chimären Astrozyten menschliche Gehirn dreimal schneller als mit der Maus arbeiten. Außerdem chimären Mäuse mit Hirn waren viel schlauer als der Durchschnitt in vielerlei Hinsicht. Sie denken schnell, besser ausgebildet und in dem Labyrinth konzentriert. Wahrscheinlich chimären Mäuse hätten nicht gedacht, wie Menschen, aber vielleicht in der Lage gewesen, die nächste Stufe der Evolution zu fühlen.

Dennoch ist für die Untersuchung des menschlichen Gehirn Nagetiere weit vom Idealmodell. Die Tatsache, dass das menschliche Nervengewebe reift nach einiger internen molekularen Uhr, und überträgt es in einer anderen Organismus, den Prozess nicht beschleunigen. Da die Mäuse nur für zwei Jahre gelebt, und die gesamte Ausbildung des menschlichen Gehirns dauert ein paar Jahrzehnte, keine langfristigen Prozesse in Form der chimären Gehirn Studie unmöglich. Vielleicht ist die Zukunft der Neurowissenschaften nach wie vor über die menschliche Gehirn in Aquarien - um herauszufinden, wie es ist unethisch, Wissenschaftler müssen nur lernen, Gedanken zu lesen, und moderne Technologie, so scheint es, wird es bald ermöglichen tun.

siehe auch

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