Судлаачид хүний тархийг биеэсээ тусад нь хэрхэн судалдаг

2024 Зохиолч: Malcolm Clapton | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2023-12-17 04:05

Эрдэмтэд хүний тархины загварыг хэрхэн бүтээдэг, ийм судалгаа нь ёс суртахууны ямар асуудал үүсгэдэг вэ.

Nature сэтгүүлд хүний тархины эд эсийг турших ёс зүй хэмээх дэлхийн тэргүүлэх 17 мэдрэл судлаачдын хамтын захидлыг нийтэлж, эрдэмтэд хүний тархины загварыг хөгжүүлэх ахиц дэвшлийн талаар хэлэлцсэн байна. Мэргэжилтнүүдийн айдас нь дараах байдалтай байна: магадгүй ойрын ирээдүйд загварууд маш дэвшилттэй болж, зөвхөн бүтэц төдийгүй хүний тархины үйл ажиллагааг дахин бүтээж эхлэх болно.

"Туршилтын хоолойд" ухамсартай мэдрэлийн эдийг бий болгох боломжтой юу? Эрдэмтэд амьтдын тархины бүтцийг хамгийн жижиг нарийн ширийн зүйлийг мэддэг боловч ямар бүтэц нь ухамсарыг "кодлодог" бөгөөд хэрэв тусгаарлагдсан тархи эсвэл түүний ижил төстэй байдлын талаар ярьж байгаа бол түүний оршихуйг хэрхэн хэмжихийг хараахан олж чадаагүй байна.

Аквариум дахь тархи

"Мэдрэхүйн тусгаарлагдсан өрөөнд сэрж байна гэж төсөөлөөд үз дээ - эргэн тойронд гэрэл, дуу чимээ, гадны өдөөлт байхгүй. Зөвхөн таны ухамсар хоосон орон зайд өлгөөтэй байна."

Энэ бол Йелийн их сургуулийн мэдрэл судлаач Ненад Сестаны багийнхан тусгаарлагдсан гахайн тархийг 36 цагийн турш амьд байлгаж чадсан гэсэн мэдэгдэлд тайлбар хийж буй ёс зүйчдийн дүр зураг юм.

Судлаачид гахайн тархийг биеийн гадна амьд байлгаж байна Энэ оны гуравдугаар сарын сүүлээр АНУ-ын Эрүүл мэндийн үндэсний хүрээлэнгийн Ёс зүйн хорооны хурал дээр амжилттай туршилт хийсэн тухай тайланг гаргажээ. Судлаачид BrainEx хэмээх халаалттай шахуургын систем болон синтетик цус орлуулагчийг ашиглан туршилтаас хэдхэн цагийн өмнө нядалгааны газарт алагдсан олон зуун малын тусгаарлагдсан тархинд шингэний эргэлт, хүчилтөрөгчийн хангамжийг хангасан гэж тэр хэлэв.

Хэдэн тэрбум мэдрэлийн эсүүдийн үйл ажиллагааны тогтвортой байдлаас харахад эрхтнүүд амьд үлджээ. Гэсэн хэдий ч эрдэмтэд "аквариум" -д байрлуулсан гахайн тархи ухамсрын шинж тэмдгийг хадгалсан эсэхийг хэлж чадахгүй байна. Электроэнцефалограмм ашиглан стандартчилагдсан аргаар шалгасан цахилгаан идэвхжил байхгүй байсан нь Сестаныг "энэ тархи юунд ч санаа зовдоггүй" гэдэгт итгүүлсэн. Амьтны тусгаарлагдсан тархи комд орсон байж магадгүй бөгөөд энэ нь ялангуяа уусмалын бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг угаахад тусалдаг.

Зохиогчид туршилтын дэлгэрэнгүй мэдээллийг задруулдаггүй - тэд шинжлэх ухааны сэтгүүлд нийтлэл бэлтгэж байна. Гэсэн хэдий ч Сестаны тайлан ч гэсэн нарийвчилсан мэдээлэл муутай байсан нь технологийн цаашдын хөгжилд ихээхэн анхаарал хандуулж, олон таамаглалыг төрүүлэв. Тархиа хадгалах нь зүрх, бөөр гэх мэт бусад эрхтнийг шилжүүлэн суулгахаас илүү техникийн хувьд хэцүү биш юм шиг санагддаг.

Энэ нь онолын хувьд хүний тархийг байгалийн их бага хэмжээгээр хадгалах боломжтой гэсэн үг.

Тусгаарлагдсан тархи нь жишээлбэл, мансууруулах бодисыг судлахад сайн загвар байж болох юм: Эцсийн эцэст одоо байгаа зохицуулалтын хязгаарлалтууд нь бие даасан эрхтнүүдэд биш харин амьд хүмүүст хамаарна. Гэсэн хэдий ч ёс зүйн үүднээс авч үзвэл энд олон асуулт гарч ирдэг. Тархины үхлийн тухай асуудал ч судлаачдын хувьд "саарал хэсэг" хэвээр байна - эмнэлгийн албан ёсны шалгуур байгаа хэдий ч үүнтэй төстэй хэд хэдэн нөхцөл байдгаас амьдралын хэвийн үйл ажиллагаанд буцаж орох боломжтой хэвээр байна. Тархи амьд хэвээр байна гэж батлах үед нөхцөл байдлын талаар бид юу хэлж чадах вэ. Хэрэв бие махбодоос тусгаарлагдсан тархи нь хувийн шинж чанаруудын заримыг эсвэл бүхэлд нь хадгалсаар байвал яах вэ? Дараа нь өгүүллийн эхэнд тайлбарласан нөхцөл байдлыг төсөөлөх боломжтой.

Ухамсар хаана нуугдаж байна

20-р зууны 80-аад он хүртэл эрдэмтдийн дунд сүнсийг биеэс тусгаарладаг хоёрдмол үзлийн онолыг дэмжигчид байсан ч бидний цаг үед сэтгэцийг судалдаг философичид хүртэл бидний ухамсар гэж нэрлэдэг бүх зүйл үүсдэг гэдэгтэй санал нэгддэг. материаллаг тархиар (түүх Асуултыг илүү дэлгэрэнгүй уншиж болно, жишээлбэл, "Ухамсар хаана байна: Эрэлдлийн асуудал ба хэтийн төлөв" бүлгээс Нобелийн шагналт Эрик Канделийн "Ой санамжийн эрэлд" номноос уншиж болно.

Үүнээс гадна функциональ соронзон резонансын дүрслэл гэх мэт орчин үеийн техникүүдийн тусламжтайгаар эрдэмтэд тодорхой сэтгэцийн дасгал хийх үед тархины аль хэсэг идэвхжиж байгааг хянах боломжтой. Гэсэн хэдий ч ухамсрын тухай ойлголт нь бүхэлдээ хэт түр зуурын шинжтэй бөгөөд эрдэмтэд тархинд тохиолддог олон процессоор кодлогдсон эсэх, эсвэл зарим мэдрэлийн харилцан хамаарал үүнд нөлөөлдөг эсэх талаар эрдэмтэд санал нийлэхгүй байна.

Канделийн номондоо тархины хагас бөмбөлгүүдийг мэс заслын аргаар салгасан өвчтөнүүдийн ухамсар нь хоёр хэсэгт хуваагддаг бөгөөд тус бүр нь дэлхийн бие даасан дүр зургийг хүлээн авдаг.

Мэдрэлийн мэс заслын практикт эдгээр болон үүнтэй төстэй тохиолдлууд нь наад зах нь ухамсрын оршин тогтнохын тулд тархины тэгш хэмтэй бүтэцтэй байх шаардлагагүй гэдгийг харуулж байна. Амьдралынхаа төгсгөлд мэдрэлийн шинжлэх ухааныг сонирхож эхэлсэн ДНХ-ийн бүтцийг нээсэн Фрэнсис Крик зэрэг зарим эрдэмтэд ухамсрын оршихуйг тархины тодорхой бүтцээр тодорхойлдог гэж үздэг.

Магадгүй эдгээр нь зарим мэдрэлийн хэлхээнүүд юмуу эсвэл тархины туслах эсүүд болох астроцитууд нь хүмүүст бусад амьтадтай харьцуулахад нэлээд мэргэшсэн байдаг. Ямар нэгэн байдлаар эрдэмтэд хүний тархины бие даасан бүтцийг in vitro (in vitro) эсвэл бүр in vivo (амьтны тархины нэг хэсэг) загварчлах түвшинд аль хэдийн хүрсэн байна.

Биореакторт сэр

Хүний биеэс гаргаж авсан бүх тархи дээр туршилт хийх нь хэр удахгүй болох нь тодорхойгүй байна - эхлээд мэдрэл судлаачид болон ёс зүйчид тоглоомын дүрмийг тохиролцох ёстой. Гэсэн хэдий ч Петрийн аяга, биореактор дахь лабораторид хүний тархины гурван хэмжээст соёлын өсөлт нь хүний "том" тархи эсвэл түүний тодорхой хэсгүүдийн бүтцийг дуурайдаг "мини-тархи" аль хэдийн өсч байна.

Үр хөврөлийн хөгжлийн явцад түүний эрхтэнүүд нь өөрийгөө зохион байгуулах зарчмын дагуу генд хамаарах зарим хөтөлбөрийн дагуу тодорхой үе шат хүртэл үүсдэг. Мэдрэлийн систем нь үл хамаарах зүйл биш юм. Үүдэл эсийн өсгөвөрт тодорхой бодисын тусламжтайгаар мэдрэлийн эд эсийн ялгаралт үүсдэг бол энэ нь үр хөврөлийн мэдрэлийн хоолойн морфогенезийн үед тохиолддогтой адил эсийн өсгөвөрт аяндаа өөрчлөгддөг болохыг судлаачид тогтоожээ.

Ийм маягаар өдөөгдсөн үүдэл эсүүд нь эцэстээ тархины бор гадаргын мэдрэлийн эсүүд болон ялгардаг боловч Петрийн аяганд гаднаас дохионы молекулуудыг нэмж, жишээлбэл, дунд тархи, судал эсвэл нугасны эсүүдийг олж авах боломжтой. Үр хөврөлийн үүдэл эсээс кортикогенезийн дотоод механизм нь тархинд байдаг шиг хэд хэдэн мэдрэлийн эсээс бүрдэх, туслах астроцит агуулсан жинхэнэ бор гадаргын аяганд ургаж болох нь тогтоогдсон.

Хоёр хэмжээст соёл нь маш хялбаршуулсан загварыг илэрхийлдэг нь ойлгомжтой. Мэдрэлийн эдийг өөрөө зохион байгуулах зарчим нь эрдэмтдэд бөмбөрцөг, тархины эрхтэн гэж нэрлэгддэг гурван хэмжээст бүтцэд хурдан шилжихэд тусалсан. Эд эсийн зохион байгуулалтын үйл явц нь анхны өсгөвөрлөлийн нягтрал, эсийн нэг төрлийн бус байдал зэрэг анхны нөхцлийн өөрчлөлт, мөн экзоген хүчин зүйлүүдэд нөлөөлж болно. Зарим дохиоллын каскадын үйл ажиллагааг өөрчилснөөр гэрэлд мэдрэмтгий хүний тархины органоидуудын эсийн олон янз байдал, сүлжээний динамикийг хариу үйлдэл үзүүлдэг торлог бүрхэвчийн хучуур эд бүхий оптик аяга гэх мэт органоидын дэвшилтэт бүтцийг бий болгох боломжтой.

Тусгай судсыг ашиглах, өсөлтийн хүчин зүйлээр эмчлэх нь эрдэмтдэд индукцлагдсан плюрипотент үүдэл эсийг ашиглан хүний тархины бор гадаргын хөгжлийн загварчлалыг in vitro-д зориудаар олж авах боломжийг олгосон - тархины бор гадар бүхий урд тархи (тал бөмбөрцөг) -тэй харгалзах тархины органоид. ургийн хөгжлийн эхний гурван сард тохирсон ген ба маркеруудын илэрхийлэл …

Сергиу Паска тэргүүтэй Стэнфордын эрдэмтэд хүний плюрипотент үүдэл эсээс функциональ кортикал мэдрэлийн эсүүд болон астроцитуудыг 3D өсгөвөр дээр гаргаж авсан нь Петрийн аяганд яг урд тархийг дуурайдаг бөөгнөрөл ургуулах арга юм. Ийм "тархи" -ын хэмжээ нь ойролцоогоор 4 миллиметр байдаг боловч 9-10 сарын боловсорч гүйцсэний дараа энэ бүтэц дэх кортикал мэдрэлийн эсүүд болон астроцитууд нь төрсний дараах үеийн хөгжлийн түвшин, өөрөөр хэлбэл төрсний дараа хүүхдийн хөгжлийн түвшинтэй тохирч байна.

Хамгийн чухал нь ийм бүтцийг ургуулах үүдэл эсийг тодорхой хүмүүсээс, жишээлбэл, мэдрэлийн системийн генетикийн хувьд тодорхойлогдсон өвчтэй өвчтөнүүдээс авч болно. Генийн инженерчлэлийн дэвшил нь эрдэмтэд тун удахгүй неандерталь эсвэл Денисовагийн тархины хөгжлийг in vitro ажиглах боломжтой болохыг харуулж байна.

2013 онд Австрийн Шинжлэх Ухааны Академийн Молекул биотехнологийн хүрээлэнгийн судлаачид биореакторт хоёр төрлийн үүдэл эсээс "бяцхан тархи" ургуулж буйг тодорхойлсон тархины органоидууд хүний тархины хөгжил ба микроцефалийн загварчилсан өгүүлэл нийтлүүлсэн. хүний тархины бүх бүтэц.

Органоидын янз бүрийн бүсүүд нь тархины янз бүрийн хэсгүүдэд тохирч байв: арын, дунд, урд, мөн "урд тархи" нь цаашлаад дэлбэн ("хагас бөмбөрцөг") болж хуваагддаг байв. Хамгийн чухал нь хэдхэн миллиметрээс хэтрэхгүй хэмжээтэй энэхүү мини тархинд эрдэмтэд үйл ажиллагааны шинж тэмдэг, ялангуяа мэдрэлийн эсийн доторх кальцийн концентрацийн хэлбэлзэл ажиглагдсан нь тэдний өдөөлтийг илтгэдэг (та дэлгэрэнгүй уншиж болно). Энэ туршилтын талаар энд).

Эрдэмтдийн зорилго бол тархины хувьслыг in vitro-д үржүүлэхээс гадна микроцефали буюу үр хөврөл Зика вирусээр халдварласан үед үүсдэг хөгжлийн гажиг болох молекулын үйл явцыг судлах явдал байв. Үүний тулд уг бүтээлийг зохиогчид өвчтөний эд эсээс ижил бяцхан тархийг гаргаж авсан байна.

Гайхалтай үр дүнг үл харгалзан эрдэмтэд ийм эрхтэнүүд юу ч ойлгох чадваргүй гэдэгт итгэлтэй байв. Нэгдүгээрт, жинхэнэ тархи нь ойролцоогоор 80 тэрбум мэдрэлийн эсийг агуулдаг бөгөөд томорсон органоид нь хэд хэдэн дарааллаар бага хэмжээтэй байдаг. Тиймээс мини-тархи нь жинхэнэ тархины үйл ажиллагааг бүрэн гүйцэд гүйцэтгэх чадваргүй байдаг.

Хоёрдугаарт, "in vitro" хөгжлийн онцлогоос шалтгаалан түүний зарим бүтэц нь нэлээд эмх замбараагүй байрлаж, бие биетэйгээ буруу, физиологийн бус холболтыг бий болгосон. Хэрэв бяцхан тархи ямар нэгэн зүйл бодсон бол энэ нь бидний хувьд ер бусын зүйл байсан нь тодорхой.

Хэлтсийн харилцан үйлчлэлийн асуудлыг шийдэхийн тулд мэдрэл судлаачид тархийг "ассемблоид" гэж нэрлэдэг шинэ түвшинд загварчлахыг санал болгов. Тэдний үүсэхийн тулд эхлээд тархины бие даасан хэсгүүдэд тохирсон органеллуудыг тусад нь ургуулж, дараа нь нэгтгэдэг.

Эрдэмтэд хүний урд тархины функциональ нэгдмэл бөмбөрцөгүүдийн угсралтын аргыг ашиглан зэргэлдээх урд тархинаас нүүдэллэн нүүдэллэх замаар мэдрэлийн эсүүдийн дийлэнх хэсгийг бүрдүүлсний дараа үүсдэг интернейрон гэж нэрлэгддэг хэсгүүд нь бор гадаргын гадаргад хэрхэн нэгдэж байгааг судлахын тулд энэхүү арга барилыг ашигласан. Хоёр төрлийн мэдрэлийн эдээс гаргаж авсан ассемблоидууд нь эпилепси, аутизмтай өвчтөнүүдийн дунд мэдрэлийн эсийн шилжилт хөдөлгөөний зөрчлийг судлах боломжийг олгосон.

Өөр хэн нэгний биед сэрэх

Бүх сайжруулалт хийсэн ч гэсэн гурван үндсэн нөхцлөөр тархины гуурсан хоолойн чадавхийг маш ихээр хязгаарладаг. Нэгдүгээрт, тэдгээр нь хүчилтөрөгч, шим тэжээлийг дотоод бүтцэд хүргэх боломжийг олгодог судасны системгүй байдаг. Энэ шалтгааны улмаас жижиг тархины хэмжээ нь молекулуудын эд эсээр тархах чадвараар хязгаарлагддаг. Хоёрдугаарт, тэд микроглиал эсүүдээр төлөөлдөг дархлаагүй байдаг: ихэвчлэн эдгээр эсүүд төв мэдрэлийн системд гаднаас шилждэг. Гуравдугаарт, уусмалд ургаж буй бүтэц нь бие махбодоос хангадаг тодорхой бичил орчинтой байдаггүй бөгөөд энэ нь түүнд хүрэх дохионы молекулуудын тоог хязгаарладаг. Эдгээр асуудлыг шийдэх шийдэл нь химер тархитай загвар амьтдыг бүтээх явдал байж болох юм.

Фред Гэйжийн удирдлаган дор Америкийн Салк хүрээлэнгийн эрдэмтдийн хийсэн хүний тархины функциональ болон судасжилтын органоидуудын in vivo загварт саяхан хийсэн бүтээл нь хүний тархины эрхтэн тогтолцоог (өөрөөр хэлбэл жижиг тархи) хулганы тархинд нэгтгэж байгааг дүрсэлсэн байдаг.. Үүнийг хийхийн тулд эрдэмтэд эхлээд үүдэл эсийн ДНХ-д ногоон флюресцент уургийн генийг суулгаж, улмаар хөгжиж буй мэдрэлийн эдийн хувь заяаг микроскопоор ажиглах боломжтой болсон. Эдгээр эсүүдээс 40 хоногийн турш органоидыг ургуулж, дараа нь дархлал хомсдолтой хулганын нугасны нугасны бор гадаргын хөндийд суулгасан байна. Гурван сарын дараа амьтдын 80 хувьд суулгац үндэслэжээ.

Хулганы химер тархийг найман сарын турш шинжилжээ. Флюресцент уургийн гэрэлтэлтээр амархан ялгагдах органоид нь амжилттай нэгдэж, салаалсан судасны сүлжээ үүсгэж, аксонууд ургаж, эзэн тархины мэдрэлийн процессуудтай синапс үүсгэдэг нь тогтоогджээ. Үүнээс гадна микроглиа эсүүд нь эзэнээс суулгац руу шилжсэн. Эцэст нь судлаачид нейронуудын үйл ажиллагааны идэвхжилийг баталж, цахилгаан идэвхжил, кальцийн хэлбэлзлийг харуулсан. Ийнхүү хүний "мини тархи" хулганы тархины бүтцэд бүрэн орсон байна.

Гайхалтай нь хүний мэдрэлийн эд эсийн нэг хэсэг нь туршилтын хулгануудын зан төлөвт нөлөөлсөнгүй. Орон зайн суралцах туршилтанд химерик тархитай хулганууд ердийн хулганатай ижил гүйцэтгэлтэй, бүр илүү муу санах ойтой байсан - судлаачид үүнийг суулгац суулгахын тулд тархины бор гадар дээр нүх гаргасан гэж тайлбарлав.

Гэсэн хэдий ч энэ ажлын зорилго нь хүний ухамсартай ухаалаг хулгана авах биш, харин янз бүрийн биоанагаах ухааны зорилгоор судасны сүлжээ, бичил орчин бүхий хүний тархины эрхтэнүүдийн in vivo загварыг бий болгох явдал байв.

2013 онд Рочестерийн их сургуулийн Орчуулгын мэдрэлийн анагаах ухааны төвийн эрдэмтэд насанд хүрэгчдийн хулганад синапсын уян хатан чанарыг сайжруулж, суралцах чадварыг сайжруулдаг хүний глиал угсаатны эсүүдээр урд тархины сийлбэр хийх замаар огт өөр төрлийн туршилт хийжээ. Өмнө дурьдсанчлан хүний нэмэлт тархины эсүүд (астроцитууд) бусад амьтдын, ялангуяа хулганаас эрс ялгаатай байдаг. Ийм учраас судлаачид астроцитууд хүний тархины үйл ажиллагааг хөгжүүлэх, хадгалахад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг гэж үздэг. Химер хулганы тархи хүний астроциттэй хэрхэн хөгждөгийг шалгахын тулд эрдэмтэд хулганы үр хөврөлийн тархинд туслах эсийн урьдал бодисуудыг суулгажээ.

Химер тархинд хүний астроцитууд хулганаас гурав дахин хурдан ажилладаг болох нь тогтоогдсон. Түүгээр ч барахгүй химер тархитай хулганууд олон талаараа ердийнхөөс хамаагүй илүү ухаантай болсон байна. Тэд илүү хурдан сэтгэж, илүү сайн сурч, төөрдөг байшинг удирдах чадвартай байв. Магадгүй химер хулганууд хүмүүс шиг сэтгэдэггүй байсан ч хувьслын өөр үе шатанд өөрсдийгөө мэдэрдэг байж магадгүй юм.

Гэсэн хэдий ч мэрэгч амьтад хүний тархийг судлах хамгийн тохиромжтой загвараас хол байдаг. Хүний мэдрэлийн эд нь зарим дотоод молекулын цагийн дагуу боловсорч гүйцдэг бөгөөд түүнийг өөр организмд шилжүүлэх нь энэ үйл явцыг хурдасгахгүй. Хулгана хоёрхон жил амьдардаг бөгөөд хүний тархи бүрэн бүрэлдэн тогтоход хэдэн арван жил шаардагддагийг тооцвол химерик тархины форматтай урт хугацааны аливаа процессыг судлах боломжгүй юм. Магадгүй мэдрэлийн шинжлэх ухааны ирээдүй нь аквариумд байгаа хүний тархинд хамаарах хэвээр байж магадгүй - энэ нь хэр зэрэг ёс зүйтэй болохыг олж мэдэхийн тулд эрдэмтэд оюун ухааныг уншиж сурахад л хангалттай бөгөөд орчин үеийн технологи удахгүй үүнийг хийх боломжтой юм шиг санагдаж байна.