כיצד חוקרים חוקרים את המוח האנושי במנותק מהגוף

2024 מְחַבֵּר: Malcolm Clapton | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 03:56

כיצד מדענים יוצרים מודלים של המוח האנושי ואילו סוגיות אתיות מחקר כזה מעלה.

כתב העת Nature פרסם את האתיקה של ניסויים ברקמת מוח אנושית, מכתב קולקטיבי של 17 מדעני מוח מובילים בעולם, בו דנו מדענים בהתקדמות בפיתוח מודלים של מוח אנושיים. החששות של מומחים הם כדלקמן: כנראה בעתיד הקרוב המודלים יהפכו כל כך מתקדמים שהם יתחילו לשחזר לא רק את המבנה, אלא גם את תפקודי המוח האנושי.

האם ניתן ליצור "במבחנה" פיסת רקמת עצב שיש לה הכרה? מדענים מכירים את מבנה המוח של בעלי חיים לפרטים הקטנים ביותר, אך עדיין לא הבינו אילו מבנים "מקודדים" את התודעה וכיצד למדוד את נוכחותה, אם אנחנו מדברים על מוח מבודד או על הדמיון שלו.

מוח באקווריום

"דמיינו לעצמכם מתעוררים בחדר חסך חושי מבודד - אין אור, אין קול, אין גירויים חיצוניים מסביב. רק התודעה שלך, תלויה בריק."

זו התמונה של אתיקאים שהגיבו להצהרה של מדען המוח של אוניברסיטת ייל, ננאד ססטן, לפיה הצוות שלו הצליח לשמור על מוח חזיר מבודד בחיים במשך 36 שעות.

החוקרים שומרים על מוחות חזירים מחוץ לדו"ח הגוף של ניסוי מוצלח שנערך בפגישה של ועדת האתיקה של המכונים הלאומיים לבריאות בארה"ב בסוף מרץ השנה. באמצעות מערכת משאבות מחוממת בשם BrainEx ותחליף דם סינתטי, החוקרים שמרו על זרימת נוזלים ואספקת חמצן למוחות המבודדים של מאות בעלי חיים שנהרגו בבית מטבחיים כמה שעות לפני הניסוי, לדבריו.

האיברים נותרו בחיים, אם לשפוט לפי התמדה של פעילותם של מיליארדי נוירונים בודדים. עם זאת, מדענים אינם יכולים לומר אם מוחות החזירים שהוצבו ב"אקווריום" שמר על סימני הכרה. היעדר פעילות חשמלית, שנבדקה בצורה סטנדרטית באמצעות אלקטרואנצפלוגרמה, שכנעה את ססטן ש"המוח הזה לא מודאג מכלום". ייתכן שהמוח המבודד של החיה היה בתרדמת, שבמיוחד ניתן להקל על כך על ידי מרכיבי התמיסה ששוטפים אותו.

המחברים אינם חושפים את פרטי הניסוי - הם מכינים פרסום בכתב עת מדעי. אף על פי כן, אפילו הדו ח של ססטן, דל בפרטים, עורר עניין רב והרבה ספקולציות לגבי המשך הפיתוח של הטכנולוגיה. נראה ששימור המוח אינו קשה הרבה יותר מבחינה טכנית מאשר שימור כל איבר אחר להשתלה, כמו הלב או הכליה.

המשמעות היא שתיאורטית אפשר לשמר את המוח האנושי במצב טבעי פחות או יותר.

מוחות מבודדים יכולים להיות מודל טוב, למשל, לחקר תרופות: אחרי הכל, הגבלות רגולטוריות קיימות חלות על אנשים חיים, ולא על איברים בודדים. אולם מנקודת מבט אתית עולות כאן שאלות רבות. אפילו שאלת המוות המוחי נותרה "תחום אפור" עבור החוקרים – למרות קיומם של קריטריונים רפואיים פורמליים, ישנם מספר מצבים דומים, שמהם עדיין אפשרית חזרה לפעילות חיים תקינה. מה אנחנו יכולים לומר על המצב כשאנחנו טוענים שהמוח נשאר בחיים. מה אם המוח, מבודד מהגוף, ימשיך לשמור על חלק מתכונות האישיות או כולן? אז אפשר בהחלט לדמיין את המצב המתואר בתחילת המאמר.

איפה התודעה אורבת

למרות העובדה שעד שנות ה-80 של המאה ה-20, היו תומכים בתיאוריית הדואליזם, המפרידה בין הנשמה לגוף, בקרב מדענים, בזמננו אפילו פילוסופים החוקרים את הנפש מסכימים שכל מה שאנו מכנים תודעה נוצר. על ידי המוח החומרי (היסטוריה ניתן לקרוא את השאלה ביתר פירוט, למשל, בפרק זה איפה התודעה: תולדות הנושא והסיכויים לחיפוש מתוך ספרו של חתן פרס נובל אריק קנדל "בחיפוש אחר הזיכרון").

יתרה מכך, בעזרת טכניקות מודרניות כגון הדמיית תהודה מגנטית פונקציונלית, מדענים יכולים לעקוב אחר אילו אזורים במוח מופעלים במהלך תרגילים מנטליים ספציפיים. אף על פי כן, המושג של התודעה בכללותה הוא חולף מדי, ומדענים עדיין לא מסכימים אם הוא מקודד על ידי קבוצה של תהליכים המתרחשים במוח, או שמא מתאמים עצביים מסוימים אחראים לכך.

כפי שאומר קנדל בספרו, בחולים עם מיספרות מוחיות מופרדות בניתוח, התודעה מפוצלת לשניים, שכל אחד מהם תופס תמונה עצמאית של העולם.

מקרים אלו ודומים מהפרקטיקה הנוירוכירורגית מצביעים לפחות על כך שלקיומה של התודעה, לא נדרשת שלמות המוח כמבנה סימטרי. כמה מדענים, כולל מגלה המבנה של ה-DNA פרנסיס קריק, שבסוף חייו החל להתעניין במדעי המוח, מאמינים שנוכחות התודעה נקבעת על ידי מבנים ספציפיים במוח.

אולי אלה מעגלים עצביים מסוימים, או אולי הנקודה היא בתאי העזר של המוח - אסטרוציטים, שאצל בני אדם, בהשוואה לבעלי חיים אחרים, הם מאוד מיוחדים. כך או אחרת, מדענים כבר הגיעו לנקודה של מודלים של מבנים בודדים של המוח האנושי במבחנה ("in vitro") או אפילו in vivo (כחלק מהמוח של בעלי חיים).

תתעורר בביוריאקטור

לא ידוע תוך כמה זמן זה יגיע לניסויים על מוחות שלמים המופקים מגוף האדם - ראשית, מדעני מוח ואתיקאים חייבים להסכים על כללי המשחק. אף על פי כן, במעבדות בצלחות פטרי ובביוריאקטורים, עלייתן של תרבויות מוח אנושיות תלת מימדיות כבר מצמיחות "מיני מוחות" המחקים את המבנה של המוח האנושי "הגדול" או חלקיו הספציפיים.

בתהליך התפתחות העובר נוצרים איבריו עד שלבים מסוימים לפי תוכנית כלשהי הטבועה בגנים לפי עקרון הארגון העצמי. מערכת העצבים אינה יוצאת דופן. החוקרים גילו שאם התמיינות לתאים של רקמת העצבים מושרה בתרבית תאי גזע בעזרת חומרים מסוימים, הדבר מוביל לסידורים ספונטניים בתרבית התאים, בדומה לאלו המתרחשים במהלך המורפוגנזה של הצינור העצבי העובר.

תאי גזע המושרים בדרך זו "כברירת מחדל" מתמיינים בסופו של דבר לנוירונים של קליפת המוח, אולם על ידי הוספת מולקולות איתות מבחוץ לצלחת פטרי, למשל, ניתן להשיג תאים של המוח האמצעי, הסטריאטום או חוט השדרה. התברר שניתן לגדל מנגנון מהותי של קורטיקוגנזה מתאי גזע עובריים בצלחת, קליפת מוח אמיתית, ממש כמו במוח, המורכבת מכמה שכבות של נוירונים ומכילה אסטרוציטים עזר.

ברור שתרבויות דו-ממדיות מייצגות מודל מאוד פשוט. עקרון הארגון העצמי של רקמת העצבים עזר למדענים לעבור במהירות למבנים תלת מימדיים הנקראים כדוריות ואברונים מוחיים. תהליך ארגון הרקמה יכול להיות מושפע משינויים בתנאים התחלתיים, כגון צפיפות תרבית ראשונית והטרוגניות תאים, ומגורמים אקסוגניים. על ידי אפנון הפעילות של אשדות איתות מסוימות, ניתן אף להגיע להיווצרות של מבנים מתקדמים באורגנואיד, כמו הכוס האופטית עם אפיתל הרשתית, המגיבה לאור מגוון תאים ודינמיקת רשת באורגנואידים במוח האנושי הרגיש לאור.

השימוש בכלי מיוחד וטיפול בגורמי גדילה אפשרו למדענים להשיג בכוונה מודלים של התפתחות קליפת המוח האנושית במבחנה באמצעות תאי גזע פלוריפוטנטיים המושרים - אורגנואיד מוחי אנושי המקביל למוח הקדמי (המיספרות) עם קליפת המוח, שפיתוחו, אם לשפוט לפי הביטוי של גנים וסמנים, התאים לשליש הראשון של התפתחות העובר…

ומדענים מסטנפורד, בראשות Sergiu Pasca, פיתחו נוירונים פונקציונליים בקליפת המוח ואסטרוציטים מתאי גזע פלוריפוטנטיים אנושיים בתרבית תלת מימד, דרך לגדל גושים המחקים את המוח הקדמי ממש בצלחת פטרי. גודלם של "מוחות" כאלה הוא כ-4 מילימטרים, אך לאחר 9-10 חודשי התבגרות, נוירונים קליפת המוח ואסטרוציטים במבנה זה תואמים את רמת ההתפתחות שלאחר הלידה, כלומר רמת ההתפתחות של התינוק מיד לאחר הלידה.

חשוב לציין, ניתן לקחת תאי גזע לגידול מבנים כאלה מאנשים ספציפיים, למשל, מחולים עם מחלות שנקבעו גנטית של מערכת העצבים. וההתקדמות בהנדסה גנטית מעידה על כך שמדענים יוכלו בקרוב לצפות במבחנה בהתפתחות המוח של ניאנדרתל או דניסובן.

בשנת 2013, חוקרים מהמכון לביוטכנולוגיה מולקולרית של האקדמיה האוסטרית למדעים פרסמו מאמר Cerebral organoids model התפתחות המוח האנושי ומיקרוצפליה, המתאר את הטיפוח של "מוח מיניאטורי" משני סוגים של תאי גזע בביוריאקטור, המחקה את מבנה המוח האנושי כולו.

אזורים שונים של האורגנואיד התאימו לחלקים שונים של המוח: אחורי, אמצעי וקדמי, וה"מוח הקדמי" אף הראה התמיינות נוספת לאונות ("המיספרות"). חשוב לציין, במוח המיני הזה, שגודלו לא עלה על כמה מילימטרים, מדענים הבחינו בסימני פעילות, במיוחד תנודות בריכוז הסידן בתוך נוירונים, המשמשים כאינדיקטור לעירור שלהם (ניתן לקרוא בפירוט על הניסוי הזה כאן).

מטרת המדענים הייתה לא רק לשחזר את התפתחות המוח במבחנה, אלא גם לחקור את התהליכים המולקולריים המובילים למיקרוצפליה - חריגה התפתחותית המתרחשת, במיוחד, כאשר עובר נגוע בנגיף הזיקה. לשם כך, מחברי העבודה גידלו את אותו מיני-מוח מתאי המטופל.

למרות התוצאות המרשימות, מדענים היו משוכנעים שאברונים כאלה אינם מסוגלים לממש דבר. ראשית, המוח האמיתי מכיל כ-80 מיליארד נוירונים, והאורגנואיד הגדל מכיל מספר סדרי גודל פחות. לפיכך, מוח מיני פשוט אינו מסוגל פיזית לבצע באופן מלא את הפונקציות של מוח אמיתי.

שנית, בשל המוזרויות של התפתחות "במבחנה", חלק מהמבנים שלה אותרו בצורה כאוטי למדי ויצרו קשרים לא נכונים, לא פיזיולוגיים זה עם זה. אם המוח המיני חשב משהו, ברור שזה היה משהו חריג עבורנו.

על מנת לפתור את בעיית האינטראקציה בין מחלקות, מדעני מוח הציעו לדגמן את המוח ברמה חדשה, הנקראת "אסמבלואידים". להיווצרותם, אברונים גדלים תחילה בנפרד, המתאימים לחלקים בודדים של המוח, ולאחר מכן הם מתמזגים.

מדענים בגישה זו השתמשו בהרכבה של כדוריות מוח קדמיות אנושיות משולבות פונקציונליות כדי לחקור כיצד מה שנקרא אינטרנוירונים, המופיעים לאחר היווצרות עיקר הנוירונים על ידי הגירה מהמוח הקדמי הסמוך, משולבים בקליפת המוח. אסמבלואידים המתקבלים משני סוגים של רקמת עצב אפשרו לחקור הפרעות בנדידת אינטרנוירונים בחולים עם אפילפסיה ואוטיזם.

להתעורר בגוף של מישהו אחר

אפילו עם כל השיפורים, יכולות המוח בצינור מוגבלות מאוד בשל שלושה תנאים בסיסיים. ראשית, אין להם מערכת כלי דם המאפשרת להם להעביר חמצן וחומרי הזנה למבנים הפנימיים שלהם. מסיבה זו, גודלם של מיני מוחות מוגבל על ידי יכולתן של מולקולות להתפזר דרך הרקמה. שנית, אין להם מערכת חיסונית, המיוצגת על ידי תאי מיקרוגליה: בדרך כלל תאים אלה נודדים למערכת העצבים המרכזית מבחוץ. שלישית, למבנה הגדל בתמיסה אין מיקרו-סביבה ספציפית שמספקת הגוף, מה שמגביל את מספר מולקולות האיתות המגיעות אליו. הפתרון לבעיות אלו יכול להיות יצירת חיות מודל עם מוח כימרי.

העבודה האחרונה An in vivo model of functional and vascularized brain humanoids של מדענים אמריקאים ממכון Salk בניהולו של פרד גייג' מתארת שילוב של אברון מוחי אנושי (כלומר, מיני-מוח) במוח של עכבר.. על מנת לעשות זאת, המדענים הכניסו תחילה את הגן לחלבון פלואורסצנטי ירוק ל-DNA של תאי גזע, כך שניתן יהיה לצפות בגורלה של רקמת העצבים המתפתחת באמצעות מיקרוסקופיה.אורגנואידים גודלו מתאי אלו במשך 40 יום, אשר הושתלו לאחר מכן לתוך חלל בקליפת המוח הרטרו-ספלנלית של עכבר בעל חוסר חיסוני. שלושה חודשים לאחר מכן, ב-80 אחוז מהחיות, השתרש השתל.

המוח הכימרי של העכברים נותח במשך שמונה חודשים. התברר שהאורגנואיד, שניתן להבחין בו בקלות על ידי זוהר של חלבון ניאון, השתלב בהצלחה, יצר רשת כלי דם מסועפת, הצמיחה אקסונים ויצר סינפסות עם תהליכי העצבים של המוח המארח. בנוסף, תאי מיקרוגליה עברו מהמארח אל השתל. לבסוף, החוקרים אישרו את הפעילות התפקודית של הנוירונים - הם הראו פעילות חשמלית ותנודות בסידן. כך, ה"מיני-מוח" האנושי נכנס במלואו להרכב מוח העכבר.

באופן מפתיע, השילוב של פיסת רקמת עצב אנושית לא השפיע על התנהגותם של עכברי ניסוי. במבחן ללמידה מרחבית, עכברים עם מוח כימרי פעלו כמו עכברים רגילים, ואף היו בעלי זיכרון גרוע יותר - החוקרים הסבירו זאת בכך שלצורך ההשתלה הם עשו חור בקליפת המוח.

עם זאת, מטרת העבודה הזו לא הייתה להשיג עכבר אינטליגנטי בעל תודעה אנושית, אלא ליצור מודל in vivo של אברוני מוח אנושיים המצוידים ברשת כלי דם ומיקרו-סביבה למטרות ביו-רפואיות שונות.

ניסוי מסוג אחר לגמרי בוצע על ידי השתלת Forebrain על ידי תאי אבות גליה אנושיים משפר את הפלסטיות הסינפטית ולמידה בעכברים בוגרים על ידי מדענים מהמרכז לנוירורפואה מתרגלת באוניברסיטת רוצ'סטר ב-2013. כפי שהוזכר קודם לכן, תאי מוח עזר אנושיים (אסטרוציטים) שונים מאוד מאלו של בעלי חיים אחרים, בפרט עכברים. מסיבה זו, חוקרים מציעים כי אסטרוציטים ממלאים תפקיד חשוב בפיתוח ותחזוקה של תפקודי המוח האנושיים. כדי לבדוק כיצד יתפתח מוח עכבר כימרי עם אסטרוציטים אנושיים, המדענים שתלו מבשרי תאי עוזר במוחם של עוברי עכברים.

התברר שבמוח כימרי, אסטרוציטים אנושיים עובדים פי שלושה מהר יותר מאשר עכברים. יתרה מכך, עכברים עם מוח כימרי התבררו כחכמים משמעותית מהרגיל במובנים רבים. הם היו מהירים יותר לחשוב, ללמוד טוב יותר ולנווט במבוך. כנראה, עכברים כימריים לא חשבו כמו אנשים, אבל, אולי, הם יכלו להרגיש את עצמם בשלב אחר של האבולוציה.

עם זאת, מכרסמים רחוקים מלהיות מודלים אידיאליים לחקר המוח האנושי. העובדה היא שרקמת העצבים האנושית מתבגרת לפי שעון מולקולרי פנימי כלשהו, והעברתה לאורגניזם אחר אינה מאיצה תהליך זה. בהתחשב בכך שעכברים חיים רק שנתיים, והיווצרותו המלאה של מוח אנושי נמשכת כמה עשורים, לא ניתן לחקור כל תהליכים ארוכי טווח במתכונת של מוח כימרי. אולי העתיד של מדעי המוח עדיין שייך למוחות אנושיים באקווריומים - כדי לגלות עד כמה זה אתי, מדענים רק צריכים ללמוד איך לקרוא מחשבות, ונראה שהטכנולוגיה המודרנית תוכל לעשות זאת בקרוב.