Cómo los investigadores estudian el cerebro humano aislado del cuerpo

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 03:53

Cómo los científicos crean modelos del cerebro humano y qué cuestiones éticas plantea dicha investigación.

La revista Nature publicó La ética de experimentar con tejido cerebral humano, una carta colectiva de 17 neurocientíficos líderes en el mundo, en la que los científicos discutieron el progreso en el desarrollo de modelos cerebrales humanos. Los temores de los especialistas son los siguientes: probablemente en un futuro cercano los modelos llegarán a ser tan avanzados que comenzarán a reproducir no solo la estructura, sino también las funciones del cerebro humano.

¿Es posible crear "en un tubo de ensayo" un trozo de tejido nervioso que tenga conciencia? Los científicos conocen la estructura del cerebro de los animales hasta el más mínimo detalle, pero aún no han descubierto qué estructuras "codifican" la conciencia y cómo medir su presencia, si estamos hablando de un cerebro aislado o su similitud.

Cerebro en el acuario

“Imagínese despertar en una cámara aislada de privación sensorial: no hay luz, ni sonido, ni estímulos externos alrededor. Sólo tu conciencia, suspendida en el vacío.

Esa es la imagen de los especialistas en ética al comentar una declaración del neurocientífico Nenad Sestan de la Universidad de Yale de que su equipo pudo mantener vivo un cerebro de cerdo aislado durante 36 horas.

Los investigadores mantienen vivos los cerebros de los cerdos fuera del informe corporal de un experimento exitoso que se realizó en una reunión del Comité de Ética de los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. A fines de marzo de este año. Usando un sistema de bomba calentado llamado BrainEx y un sustituto de sangre sintético, los investigadores mantuvieron la circulación de fluidos y el suministro de oxígeno a los cerebros aislados de cientos de animales muertos en un matadero un par de horas antes del experimento, dijo.

Los órganos permanecieron vivos, a juzgar por la persistencia de la actividad de miles de millones de neuronas individuales. Sin embargo, los científicos no pueden decir si los cerebros de cerdo colocados en el "acuario" retuvieron signos de conciencia. La ausencia de actividad eléctrica, probada de forma estandarizada mediante un electroencefalograma, convenció a Sestan de que "este cerebro no está preocupado por nada". Es posible que el cerebro aislado del animal estuviera en coma, lo que, en particular, podría ser facilitado por los componentes de la solución lavándolo.

Los autores no revelan los detalles del experimento; están preparando una publicación en una revista científica. Sin embargo, incluso el informe de Sestan, pobre en detalles, despertó un gran interés y mucha especulación sobre el futuro desarrollo de la tecnología. Parece que preservar el cerebro no es mucho más difícil técnicamente que preservar cualquier otro órgano para trasplante, como el corazón o el riñón.

Esto significa que teóricamente es posible preservar el cerebro humano en un estado más o menos natural.

Los cerebros aislados podrían ser un buen modelo, por ejemplo, para la investigación de medicamentos: después de todo, las restricciones regulatorias existentes se aplican a personas vivas y no a órganos individuales. Sin embargo, desde un punto de vista ético, aquí surgen muchas preguntas. Incluso la cuestión de la muerte cerebral sigue siendo un "área gris" para los investigadores: a pesar de la existencia de criterios médicos formales, hay una serie de condiciones similares, a partir de las cuales aún es posible volver a la actividad normal de la vida. ¿Qué podemos decir de la situación cuando afirmamos que el cerebro sigue vivo? ¿Qué pasa si el cerebro, aislado del cuerpo, continúa reteniendo algunos o todos los rasgos de personalidad? Entonces es muy posible imaginar la situación descrita al principio del artículo.

Donde la conciencia acecha

A pesar de que hasta los años 80 del siglo XX había partidarios de la teoría del dualismo, que separa el alma del cuerpo, entre los científicos, en nuestro tiempo incluso los filósofos que estudian la psique coinciden en que todo lo que llamamos conciencia se genera. por el cerebro material (historia La pregunta se puede leer con más detalle, por ejemplo, en este capítulo ¿Dónde está la conciencia: Historia del problema y perspectivas de la búsqueda del libro del premio Nobel Eric Kandel "En busca de la memoria").

Además, con técnicas modernas como la resonancia magnética funcional, los científicos pueden rastrear qué áreas del cerebro se activan durante ejercicios mentales específicos. Sin embargo, el concepto de conciencia en su conjunto es demasiado efímero y los científicos aún no se ponen de acuerdo sobre si está codificado por un conjunto de procesos que ocurren en el cerebro o si ciertos correlatos neuronales son responsables de ello.

Como dice Kandel en su libro, en pacientes con hemisferios cerebrales separados quirúrgicamente, la conciencia se divide en dos, cada uno de los cuales percibe una imagen independiente del mundo.

Estos y casos similares de la práctica neuroquirúrgica indican al menos que para la existencia de la conciencia no se requiere la integridad del cerebro como estructura simétrica. Algunos científicos, incluido el descubridor de la estructura del ADN Francis Crick, quien al final de su vida se interesó por la neurociencia, creen que la presencia de la conciencia está determinada por estructuras específicas en el cerebro.

Tal vez estos sean ciertos circuitos neuronales, o tal vez el punto esté en las células auxiliares del cerebro: los astrocitos, que en los humanos, en comparación con otros animales, son bastante altamente especializados. De una forma u otra, los científicos ya han llegado al punto de modelar estructuras individuales del cerebro humano in vitro (“in vitro”) o incluso in vivo (como parte del cerebro de animales).

Despierta en un biorreactor

No se sabe qué tan pronto llegarán los experimentos con cerebros enteros extraídos del cuerpo humano; primero, los neurocientíficos y los especialistas en ética deben ponerse de acuerdo sobre las reglas del juego. Sin embargo, en los laboratorios de placas de Petri y biorreactores, el auge de los cultivos de cerebros humanos tridimensionales ya están desarrollando "mini-cerebros" que imitan la estructura del "gran" cerebro humano o sus partes específicas.

En el proceso de desarrollo del embrión, sus órganos se forman hasta ciertas etapas según algún programa inherente a los genes según el principio de autoorganización. El sistema nervioso no es una excepción. Los investigadores encontraron que si se induce la diferenciación en células del tejido nervioso en el cultivo de células madre con la ayuda de ciertas sustancias, esto conduce a reordenamientos espontáneos en el cultivo celular, similares a los que ocurren durante la morfogénesis del tubo neural embrionario.

Las células madre inducidas de esta manera "por defecto" se diferencian finalmente en neuronas de la corteza cerebral, sin embargo, al agregar moléculas de señalización del exterior a una placa de Petri, por ejemplo, se pueden obtener células del mesencéfalo, el cuerpo estriado o la médula espinal. Resultó que un mecanismo intrínseco de la corticogénesis de las células madre embrionarias se puede cultivar en un plato, una corteza real, al igual que en el cerebro, que consta de varias capas de neuronas y que contiene astrocitos auxiliares.

Está claro que las culturas bidimensionales representan un modelo muy simplificado. El principio de autoorganización del tejido nervioso ayudó a los científicos a moverse rápidamente hacia estructuras tridimensionales llamadas esferoides y orgánulos cerebrales. El proceso de organización de los tejidos puede verse influido por cambios en las condiciones iniciales, como la densidad del cultivo inicial y la heterogeneidad celular, y por factores exógenos. Modulando la actividad de determinadas cascadas de señalización, incluso es posible lograr la formación de estructuras avanzadas en el organoide, como la copa óptica con el epitelio retiniano, que reacciona a la luz la diversidad celular y la dinámica de redes en organoides fotosensibles del cerebro humano.

El uso de un recipiente especial y el tratamiento con factores de crecimiento permitió a los científicos obtener a propósito el modelado del desarrollo cortical humano in vitro utilizando células madre pluripotentes inducidas, un organoide cerebral humano correspondiente al prosencéfalo (hemisferios) con una corteza, cuyo desarrollo, a juzgar por la expresión de genes y marcadores, correspondió al primer trimestre del desarrollo fetal …

Y los científicos de Stanford, dirigidos por Sergiu Pasca, han desarrollado neuronas corticales funcionales y astrocitos a partir de células madre pluripotentes humanas en cultivo 3D, una forma de hacer crecer grupos que imitan el prosencéfalo directamente en una placa de Petri. El tamaño de tales "cerebros" es de aproximadamente 4 milímetros, pero después de 9-10 meses de maduración, las neuronas corticales y los astrocitos en esta estructura corresponden al nivel de desarrollo posnatal, es decir, el nivel de desarrollo del bebé inmediatamente después del nacimiento.

Es importante destacar que las células madre para el crecimiento de tales estructuras se pueden tomar de personas específicas, por ejemplo, de pacientes con enfermedades del sistema nervioso determinadas genéticamente. Y los avances en ingeniería genética sugieren que los científicos pronto podrán observar in vitro el desarrollo del cerebro de un neandertal o denisovano.

En 2013, investigadores del Instituto de Biotecnología Molecular de la Academia de Ciencias de Austria publicaron un artículo Los organoides cerebrales modelan el desarrollo del cerebro humano y la microcefalia, describiendo el cultivo de un "cerebro en miniatura" a partir de dos tipos de células madre en un biorreactor, que imita el estructura de todo el cerebro humano.

Las diferentes zonas del organoide correspondían a diferentes partes del cerebro: posterior, media y anterior, y el "prosencéfalo" incluso mostró una mayor diferenciación en lóbulos ("hemisferios"). Es importante destacar que en este mini-cerebro, que tampoco superó unos pocos milímetros de tamaño, los científicos observaron signos de actividad, en particular fluctuaciones en la concentración de calcio en el interior de las neuronas, que sirven como indicador de su excitación (se puede leer en detalle sobre este experimento aquí).

El objetivo de los científicos no era solo reproducir la evolución del cerebro in vitro, sino también estudiar los procesos moleculares que conducen a la microcefalia, una anomalía del desarrollo que ocurre, en particular, cuando un embrión está infectado con el virus Zika. Para ello, los autores del trabajo han cultivado el mismo mini-cerebro a partir de las células del paciente.

A pesar de los impresionantes resultados, los científicos estaban convencidos de que tales orgánulos eran incapaces de darse cuenta de nada. Primero, el cerebro real contiene alrededor de 80 mil millones de neuronas, y el organoide desarrollado contiene varios órdenes de magnitud menos. Por lo tanto, un mini-cerebro simplemente no es físicamente capaz de realizar plenamente las funciones de un cerebro real.

En segundo lugar, debido a las peculiaridades del desarrollo "in vitro", algunas de sus estructuras se ubicaron de manera bastante caótica y formaron conexiones incorrectas y no fisiológicas entre sí. Si el mini-cerebro pensó algo, claramente fue algo inusual para nosotros.

Para resolver el problema de la interacción de los departamentos, los neurocientíficos han propuesto modelar el cerebro en un nuevo nivel, que se denomina "ensambloides". Para su formación, los orgánulos primero se cultivan por separado, correspondientes a partes individuales del cerebro, y luego se fusionan.

En este enfoque, los científicos utilizaron la Asamblea de esferoides del prosencéfalo humano funcionalmente integrados para estudiar cómo las llamadas interneuronas, que aparecen después de la formación de la mayor parte de las neuronas por migración desde el prosencéfalo adyacente, se incorporan a la corteza. Los ensambloides obtenidos de dos tipos de tejido nervioso han permitido estudiar las alteraciones en la migración de las interneuronas en pacientes con epilepsia y autismo.

Despierta en el cuerpo de otra persona

Incluso con todas las mejoras, las capacidades de cerebro en tubo están severamente limitadas por tres condiciones fundamentales. Primero, no tienen un sistema vascular que les permita suministrar oxígeno y nutrientes a sus estructuras internas. Por esta razón, el tamaño de los mini-cerebros está limitado por la capacidad de las moléculas para difundirse a través de los tejidos. En segundo lugar, no tienen un sistema inmunológico, representado por células microgliales: normalmente estas células migran al sistema nervioso central desde el exterior. En tercer lugar, una estructura que crece en solución no tiene un microambiente específico proporcionado por el cuerpo, lo que limita el número de moléculas de señalización que la alcanzan. La solución a estos problemas podría ser la creación de modelos animales con cerebros quiméricos.

El trabajo reciente Un modelo in vivo de organoides cerebrales humanos funcionales y vascularizados de científicos estadounidenses del Instituto Salk bajo la dirección de Fred Gage describe la integración de un orgánulo cerebral humano (es decir, un mini-cerebro) en el cerebro de un ratón.. Para hacer esto, los científicos primero insertaron el gen de una proteína verde fluorescente en el ADN de las células madre para poder observar el destino del tejido nervioso en desarrollo mediante microscopía. Se cultivaron organoides a partir de estas células durante 40 días, que luego se implantaron en una cavidad en la corteza retroesplenal de un ratón inmunodeficiente. Tres meses después, en el 80 por ciento de los animales, el implante echó raíces.

Los cerebros quiméricos de los ratones se analizaron durante ocho meses. Resultó que el organoide, que podía distinguirse fácilmente por la luminiscencia de una proteína fluorescente, se integró con éxito, formó una red vascular ramificada, creció axones y formó sinapsis con los procesos nerviosos del cerebro huésped. Además, las células de la microglía se han trasladado del huésped al implante. Finalmente, los investigadores confirmaron la actividad funcional de las neuronas: mostraron actividad eléctrica y fluctuaciones en el calcio. Por lo tanto, el "mini-cerebro" humano entró por completo en la composición del cerebro del ratón.

Sorprendentemente, la integración de un trozo de tejido nervioso humano no afectó el comportamiento de los ratones experimentales. En una prueba para el aprendizaje espacial, los ratones con cerebros quiméricos se desempeñaron igual que los ratones normales, e incluso tenían peor memoria; los investigadores explicaron esto por el hecho de que para la implantación hicieron un agujero en la corteza cerebral.

Sin embargo, el objetivo de este trabajo no fue obtener un ratón inteligente con conciencia humana, sino crear un modelo in vivo de orgánulos cerebrales humanos equipados con una red vascular y un microambiente para diversos fines biomédicos.

En 2013, científicos del Centro de Neuromedicina Traslacional de la Universidad de Rochester realizaron un experimento de un tipo completamente diferente mediante el injerto del cerebro anterior mediante células progenitoras gliales humanas que mejora la plasticidad sináptica y el aprendizaje en ratones adultos. Como se mencionó anteriormente, las células cerebrales accesorias humanas (astrocitos) son muy diferentes de las de otros animales, en particular los ratones. Por esta razón, los investigadores sugieren que los astrocitos juegan un papel importante en el desarrollo y mantenimiento de las funciones del cerebro humano. Para probar cómo se desarrollaría un cerebro de ratón quimérico con astrocitos humanos, los científicos plantaron precursores de células auxiliares en los cerebros de embriones de ratón.

Resultó que en un cerebro quimérico, los astrocitos humanos funcionan tres veces más rápido que los ratones. Además, los ratones con cerebros quiméricos resultaron ser significativamente más inteligentes de lo habitual en muchos sentidos. Fueron más rápidos para pensar, aprender mejor y navegar por el laberinto. Probablemente, los ratones quiméricos no pensaban como las personas, pero, quizás, podrían sentirse en una etapa diferente de la evolución.

Sin embargo, los roedores están lejos de ser modelos ideales para estudiar el cerebro humano. El hecho es que el tejido nervioso humano madura según algún reloj molecular interno, y su transferencia a otro organismo no acelera este proceso. Teniendo en cuenta que los ratones viven solo dos años, y la formación completa de un cerebro humano lleva un par de décadas, no se puede estudiar ningún proceso a largo plazo en el formato de un cerebro quimérico. Quizás el futuro de la neurociencia todavía pertenezca al cerebro humano en los acuarios; para descubrir qué tan ético es, los científicos solo necesitan aprender a leer la mente, y la tecnología moderna parece poder hacerlo pronto.