MINIJATURNE strukture nalik ljudskom mozgu presađene u štakore mogu se povezati s mozgovima štakora, mogu slati signale i reagirati na podražaje iz okoline koje hvataju brkovi štakora te čak mogu mijenjati njihovo ponašanje, pokazalo je novo istraživanje objavljeno u časopisu Nature.

Ovi nalazi trebali bi omogućiti istraživanja različitih neurodegenerativnih i neuropsihijatrijskih poremećaja u ljudskom mozgu. Znanstvenici sa Stanforda objavili su da su nakupine ljudskih stanica, poznate kao "organoidi", izrasle u milijune novih neurona i spojile se u nove živčane sustave povezane sa sustavima štakora.

Voditelj istraživanja Sergiu Pasca, neuroznanstvenik sa Stanforda, objasnio je da su on i njegovi kolege štakorima transplantirali ljudske neurone kako bi upoznali biologiju koja se nalazi u pozadini autizma, shizofrenije i drugih razvojnih poremećaja.

"Ovu platformu možemo koristiti za testiranje lijekova i genskih terapija"

"Ako se stvarno želimo pozabaviti biologijom ovih stanja, trebat će nam složeniji modeli ljudskog mozga", rekao je dr. Pasca pa dodao: "Novu platformu također možemo koristiti za testiranje novih lijekova i genskih terapija za neuropsihijatrijske poremećaje."

Pasca i njegovi suradnici smatraju da se složeni poremećaji ne mogu istraživati u laboratorijskim modelima mozgova in vitro. Naime, potrebni su cijeli organoidi mozgova usađeni i povezani s mozgovima i tijelima živih životinja ako se želi pratiti utjecaj određenih neuroloških poremećaja kao i potencijalnih lijekova na ponašanje životinja.

S druge strane neki znanstvenici upozoravaju da povezivanje mozgova ljudi i životinja te stvaranje ljudsko-životinjskih kimera (stvorenja koja imaju neke dijelove životinja i neke ljudi) sa sobom nose određena etička pitanja.

Problem povezivanja dvaju mozgova

Pasca i njegovi suradnici ranije su razvili trodimenzionalne organoide koji su, za razliku od običnih dvodimenzionalnih kultura živčanih stanica, u Petrijevim posudama uspjeli opstati godinama. Stanice ljudi vratili su u stanje pluripotentnih matičnih stanica koje imaju potencijal razvijati se u različite vrste tkiva ovisno o tome kakvim ih se molekulama podražava. Konačno su stvorili organoide mozga, leđne moždine i mišića i povezali ih tako da su funkcionirali na sličan način na koji funkcionira ljudsko tijelo – od nastanka podražaja u mozgu do stezanja mišića.

Kako bi moždanim organoidima ljudskog podrijetla dali potrebnu stimulaciju i podršku za razvoj, članovi tima uzgojili su strukture iz ljudskih matičnih stanica i zatim ih ubrizgali u mozgove novorođenih mladunaca štakora s idejom da će ljudske stanice rasti zajedno sa stanicama štakora.

Autori u sažetku svoje studije ističu da organoidima razvijenim u laboratorijskim modelima (in vitro) bez usađivanja u žive životinje, nedostaje povezanost koja postoji u živim modelima (in vivo), što ograničava njihovo sazrijevanje i onemogućuje integraciju s drugim krugovima koji kontroliraju ponašanje.

Naime, u mozgovima ljudske djece, rast neurona i način na koji razvijaju veze s drugim neuronima djelomično se temelje na podražajima koji dolaze iz osjetila. Kada su ljudski organoidi bili usađeni u mozgove štakora, oni su ondje dobivali upravo takve osjetilne podražaje.

„Ovdje pokazujemo da kortikalni organoidi izvedeni iz ljudskih matičnih stanica transplantirani u somatosenzorni korteks novorođenih atimičnih štakora razvijaju zrele tipove stanica koje se integriraju u senzorne i motivacijske krugove... Doista, transplantirani kortikalni neuroni pokazuju složenija morfološka, ​​sinaptička i intrinzična svojstva membrane nego njihovi in ​​vitro dvojnici, što omogućuje otkrivanje defekata u neuronima koji potječu od pojedinaca s Timothyjevim sindromom“, ističu autori.

Stimuliranje mozgova na zajednički razvoj

Tim je organoide smjestio u područje mozga koje se zove somatosenzorni korteks, koji prima signale od brkova štakora i drugih osjetilnih organa, a zatim ih prosljeđuje drugim regijama mozga koje interpretiraju signale.

Ljudske moždane stanice sazrijevaju puno sporije od stanica štakora pa su znanstvenici morali čekati više od šest mjeseci da se organoidi u potpunosti integriraju u mozgove štakora. No, kada su na kraju tog razdoblja magnetskom rezonancom (MRI) ispitali mozgove životinja, vidjeli su da je integracija bila toliko uspješna da je, kako je rekao Pasca na konferenciji za novinare, bila gotovo kao dodavanje "još jednog tranzistora u (integrirani) krug".

Ljudski mozak reagirao je u jedinstvu sa štakorovim

U svom radu znanstvenici su opisali kako su genetski modificirali neurone u usađenim dijelovima mozga na takav način da se aktiviraju kada ih stimulira svjetlo iz optičkog kabela ugrađenog u mozgove štakora. Tim je trenirao štakore da ližu pipe kako bi dobili vodu dok god je svjetlo uključeno. Nakon treninga, kada su osvijetlili hibridne mozgove, štakori su bili potaknuti da ližu pipe, što znači da su se ljudske stanice dovoljno dobro integrirale da potaknu odgovarajuće ponašanje životinja. Štoviše, kada su istraživači dodirivali brkove štakora, ljudske su stanice u senzornom korteksu mozga štakora aktivirale odgovarajući odgovor u smislu orijentacije u prostoru, što sugerira da su bile u stanju primiti senzorne informacije.

Kako bi pokazali da njihov rad ima potencijala u proučavanju moždanih poremećaja kod ljudi, Pasca i njegovi kolege također su stvorili moždane organoide iz matičnih stanica troje ljudi s genetskom bolešću zvanom Timothyjev sindrom, koja može uzrokovati simptome slične onima koji se viđaju kod autizma. Sićušne strukture izgledale su isto kao i svi drugi moždani organoidi uzgojeni u posudi, no kad su ih istraživači presadili u štakore, nisu narasle tako velike kao druge i njihovi neuroni nisu okidali na isti način.

Etičke dvojbe: Što ako štakori razviju kogniciju i svijest?

Prve ljudsko-životinjske kimere stvorene su još 1990-ih. No u posljednjih desetak godina to se područje vrlo brzo razvija. S jedne strane ono je zanimljivo zbog istraživanja ljudskih bolesti i lijekova koja se ne mogu obavljati na živim ljudima, a s druge zbog mogućnosti da se u tijelima životinja uzgajaju ljudski organi potrebni za transplantacije.

Primjerice, studije u kojima su ljudske moždane matične stanice transplantirane u mozgove majmuna omogućile su da se 2018. pokrenu klinička ispitivanja terapija za Parkinsonovu bolest.

2021. godine kineski i američki znanstvenici stvorili su kimerične embrije čovjeka i majmuna od kojih su neki preživjeli čak 19 dana. Zagovornici istraživanja kimera s ljudsko-životinjskim mozgovima smatraju da su takva istraživanja neophodna i ističu da već daju vrijedne rezultate.

Primjerice, koristeći neuralne kimere, znanstvenici su pronašli razlike u tome kako se neuroni razvijaju i ponašaju u Downovom sindromu i Alzheimerovoj bolesti.

U nekim zemljama su takva istraživanja dopuštena, ali...

U mnogim zemljama, uključujući SAD i Veliku Britaniju, istraživanja u kojima se ljudske moždane stanice povezuju s mozgovima životinja zakonski su dopuštena i mogu biti državno financirana uz određene mjere provjere.

No, neki stručnjaci upozoravaju da takve kimere predstavljaju etičku sivu zonu, zbog mogućnosti da zamagle granicu između ljudi i životinja ili da kod životinja stvore percepciju i kogniciju sličnu ljudskoj ili možda čak svijest. Neki istraživači kažu da bi se kimere trebale koristiti samo ako nijedan drugi stanični ili životinjski model nije prikladan.

Etičari se pitaju u kojem trenutku zbirka ljudskih neurona u mozgu druge životinje utjelovljuje nešto što zaslužuje jedinstven moralni status.

Tim sa Stanforda tumači da organoidi nisu u pravom smislu riječi mozgovi već minijaturne imitacije koje su daleko od buđenja svijesti te smatra da za sada nema razloga za brige oko etičkih pitanja. Pasca također ističe da transplantacije organoida njegovog tima nisu uzrokovale probleme kao što su napadaji ili poremećaji pamćenja kod štakora te da se nije činilo da značajno mijenjaju ponašanje životinja.

Posebnu pozornost etičara izazvao je jedan rad objavljen u kolovozu 2019. u časopisu Cell Stem Cell. U njemu su koji su Alysson Muotri i njegovi suradnici stvorili organoide ljudskog mozga koji su proizvodili koordinirane valove aktivnosti, nalik onima koji se vide kod nedonoščadi. Valovi su trajali mjesecima prije nego što je tim zaključio eksperiment.

Svjesni mozak

Ova vrsta koordinirane električne aktivnosti u cijelom mozgu jedno je od svojstava svjesnog mozga. Otkriće tima navelo je etičare i znanstvenike da pokrenu mnoštvo moralnih i filozofskih pitanja o tome treba li organoidima dopustiti da dosegnu takvu razinu naprednog razvoja te mogu li 'svjesni' organoidi imati pravo na poseban tretman i prava koja se ne daju nakupinama drugih stanica.

Iste godine tim sa Sveučilišta Yale, među kojima su i neki hrvatski stručnjaci poput Nenada Šestana, objavio je da je barem djelomično vratio život u mozgove svinja koje su nekoliko sati ranije ubijene. Uklanjanjem mozgova iz lubanja svinja i ulijevanjem u njih kemijskog koktela, istraživači su oživjeli stanične funkcije neurona i njihovu sposobnost prijenosa električnih signala.

>Znanstvenici oživjeli stanice mrtvih svinja, predvodio ih hrvatski stručnjak  

Problem je što ne znamo definirati ni mjeriti svijest

Etičari i znanstvenici koji se bave istraživanjima koja bi mogla rezultirati stvaranjem svijesti sve glasnije traže da se definira neki skup smjernica koje bi određivale što se smije, a što je etički neprihvatljivo.

U lipnju ove godine američka Nacionalna akademija znanosti, inženjerstva i medicine započela je studiju s ciljem ocrtavanja potencijalnih pravnih i etičkih problema povezanih s moždanim organoidima i ljudsko-životinjskim kimerama.

No, ove su inicijative razotkrile problematičnu činjenicu da neuroznanstvenici još uvijek nemaju dogovoren način za definiranje i mjerenje svijesti. A bez takve definicije bit će nemoguće zaustaviti eksperimente prije nego što prijeđu granice.