Wie Forscher das menschliche Gehirn isoliert vom Körper untersuchen

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 03:51

Wie Wissenschaftler Modelle des menschlichen Gehirns erstellen und welche ethischen Fragen diese Forschung aufwirft.

Die Zeitschrift Nature veröffentlichte The Ethics of Experimenting with Human Brain Gewebe, einen gemeinsamen Brief von 17 führenden Neurowissenschaftlern der Welt, in dem Wissenschaftler Fortschritte bei der Entwicklung von menschlichen Gehirnmodellen diskutierten. Die Befürchtungen der Spezialisten lauten: Wahrscheinlich werden die Modelle in naher Zukunft so weit fortgeschritten sein, dass sie nicht nur die Struktur, sondern auch die Funktionen des menschlichen Gehirns nachbilden.

Ist es möglich, "in einem Reagenzglas" ein Stück Nervengewebe mit Bewusstsein zu erzeugen? Wissenschaftler kennen die Struktur des Gehirns von Tieren bis ins kleinste Detail, haben aber noch nicht herausgefunden, welche Strukturen das Bewusstsein "kodieren" und wie man seine Anwesenheit misst, wenn es sich um ein isoliertes Gehirn oder seine Ähnlichkeit handelt.

Gehirn im Aquarium

„Stellen Sie sich vor, Sie wachen in einer isolierten Kammer des sensorischen Entzugs auf – es gibt kein Licht, keinen Ton, keine äußeren Reize. Nur dein Bewusstsein hängt in der Leere."

Das ist das Bild von Ethikern, die eine Aussage des Neurowissenschaftlers Nenad Sestan von der Yale University kommentieren, dass sein Team in der Lage war, ein isoliertes Schweinehirn 36 Stunden lang am Leben zu erhalten.

Die Forscher halten Schweinehirne außerhalb des Körpers am Leben Der Bericht über ein erfolgreiches Experiment wurde Ende März dieses Jahres auf einer Sitzung der Ethikkommission der US-amerikanischen National Institutes of Health veröffentlicht. Mit einem beheizten Pumpensystem namens BrainEx und einem synthetischen Blutersatzstoff hielten die Forscher die Flüssigkeitszirkulation und Sauerstoffversorgung der isolierten Gehirne von Hunderten von Tieren, die einige Stunden vor dem Experiment in einem Schlachthof getötet wurden, aufrecht, sagte er.

Die Organe blieben am Leben, gemessen an der Persistenz der Aktivität von Milliarden einzelner Neuronen. Wissenschaftler können jedoch nicht sagen, ob die im "Aquarium" platzierten Schweinehirne Zeichen des Bewusstseins beibehalten haben. Das Fehlen elektrischer Aktivität, das standardisiert mit einem Elektroenzephalogramm getestet wurde, überzeugte Sestan, dass "dieses Gehirn um nichts besorgt ist". Es ist möglich, dass das isolierte Gehirn des Tieres im Koma lag, was insbesondere durch das Waschen der Bestandteile der Lösung erleichtert werden könnte.

Die Autoren geben die Details des Experiments nicht bekannt - sie bereiten eine Veröffentlichung in einer wissenschaftlichen Zeitschrift vor. Dennoch erregte selbst der detailarme Bericht von Sestan großes Interesse und viele Spekulationen über die Weiterentwicklung der Technik. Es scheint, dass die Erhaltung des Gehirns technisch nicht viel schwieriger ist als die Erhaltung jedes anderen Organs für eine Transplantation, wie zum Beispiel das Herz oder die Niere.

Das bedeutet, dass es theoretisch möglich ist, das menschliche Gehirn in einem mehr oder weniger natürlichen Zustand zu erhalten.

Isolierte Gehirne könnten beispielsweise ein gutes Modell für die Erforschung von Medikamenten sein: Denn bestehende regulatorische Beschränkungen gelten für lebende Menschen und nicht für einzelne Organe. Aus ethischer Sicht stellen sich hier jedoch viele Fragen. Auch die Frage nach dem Hirntod bleibt für Forscher eine "Grauzone" - trotz formaler medizinischer Kriterien gibt es eine Reihe ähnlicher Zustände, von denen eine Rückkehr zur normalen Lebensaktivität noch möglich ist. Was können wir über die Situation sagen, wenn wir behaupten, dass das Gehirn am Leben bleibt? Was ist, wenn das vom Körper isolierte Gehirn weiterhin einige oder alle Persönlichkeitsmerkmale behält? Dann kann man sich die am Anfang des Artikels beschriebene Situation gut vorstellen.

Wo das Bewusstsein lauert

Trotz der Tatsache, dass es bis in die 80er Jahre des 20 durch das materielle Gehirn (Geschichte Die Frage kann beispielsweise in diesem Kapitel Wo ist Bewusstsein: Geschichte des Themas und Perspektiven der Suche aus dem Buch des Nobelpreisträgers Eric Kandel "Auf der Suche nach der Erinnerung") ausführlicher nachgelesen werden.

Mit modernen Techniken wie der funktionellen Magnetresonanztomographie können Wissenschaftler zudem verfolgen, welche Hirnareale bei bestimmten mentalen Übungen aktiviert werden. Trotzdem ist das Konzept des Bewusstseins als Ganzes zu kurzlebig, und Wissenschaftler sind sich immer noch nicht einig, ob es durch eine Reihe von Prozessen im Gehirn kodiert wird oder ob bestimmte neuronale Korrelate dafür verantwortlich sind.

Wie Kandel in seinem Buch sagt, ist bei Patienten mit chirurgisch abgetrennten Gehirnhälften das Bewusstsein in zwei Teile gespalten, von denen jeder ein unabhängiges Bild der Welt wahrnimmt.

Diese und ähnliche Fälle aus der neurochirurgischen Praxis weisen zumindest darauf hin, dass für die Existenz des Bewusstseins die Integrität des Gehirns als symmetrische Struktur nicht erforderlich ist. Einige Wissenschaftler, darunter der Entdecker der DNA-Struktur Francis Crick, der sich am Ende seines Lebens für die Neurowissenschaften interessierte, glauben, dass die Präsenz des Bewusstseins durch bestimmte Strukturen im Gehirn bestimmt wird.

Vielleicht sind dies bestimmte neuronale Schaltkreise, oder vielleicht liegt es an den Hilfszellen des Gehirns - Astrozyten, die beim Menschen im Vergleich zu anderen Tieren ziemlich hochspezialisiert sind. Auf die eine oder andere Weise sind Wissenschaftler bereits an dem Punkt angelangt, einzelne Strukturen des menschlichen Gehirns in vitro („in vitro“) oder sogar in vivo (als Teil des Gehirns von Tieren) zu modellieren.

Aufwachen in einem Bioreaktor

Wie bald es zu Experimenten an ganzen Gehirnen kommen wird, die dem menschlichen Körper entnommen wurden, ist nicht bekannt – zunächst müssen sich Neurowissenschaftler und Ethiker auf die Spielregeln einigen. Dennoch wachsen in Labors in Petrischalen und Bioreaktoren mit dem Aufkommen dreidimensionaler menschlicher Gehirnkulturen bereits „Mini-Gehirne“, die die Struktur des „großen“menschlichen Gehirns oder seiner spezifischen Teile nachahmen.

Im Entwicklungsprozess des Embryos werden seine Organe bis zu bestimmten Stadien nach einem in den Genen inhärenten Programm nach dem Prinzip der Selbstorganisation gebildet. Das Nervensystem ist keine Ausnahme. Die Forscher fanden heraus, dass, wenn in der Stammzellkultur mit Hilfe bestimmter Substanzen die Differenzierung in Zellen des Nervengewebes induziert wird, dies zu spontanen Umlagerungen in der Zellkultur führt, ähnlich wie bei der Morphogenese des embryonalen Neuralrohrs.

Auf diese Weise induzierte Stammzellen differenzieren schließlich "standardmäßig" zu Neuronen der Großhirnrinde, durch Zugabe von Signalmolekülen von außen in eine Petrischale können jedoch beispielsweise Zellen des Mittelhirns, des Striatums oder des Rückenmarks gewonnen werden. Es stellte sich heraus, dass ein intrinsischer Mechanismus der Kortikogenese aus embryonalen Stammzellen in einer Schale gezüchtet werden kann, einem echten Kortex, genau wie im Gehirn, der aus mehreren Schichten von Neuronen besteht und Hilfsastrozyten enthält.

Es ist klar, dass zweidimensionale Kulturen ein stark vereinfachtes Modell darstellen. Das Selbstorganisationsprinzip des Nervengewebes half Wissenschaftlern, schnell zu dreidimensionalen Strukturen zu gelangen, die Sphäroide und Hirnorganellen genannt werden. Der Prozess der Gewebeorganisation kann durch Veränderungen der Anfangsbedingungen, wie die anfängliche Kulturdichte und Zellheterogenität, sowie durch exogene Faktoren beeinflusst werden. Durch die Modulation der Aktivität bestimmter Signalkaskaden ist es sogar möglich, die Bildung fortgeschrittener Strukturen im Organoid zu erreichen, wie beispielsweise der Augenbecher mit dem Netzhautepithel, das Zelldiversität und Netzwerkdynamik in lichtempfindlichen menschlichen Gehirnorganoiden auf Licht reagiert.

Die Verwendung eines speziellen Gefäßes und die Behandlung mit Wachstumsfaktoren ermöglichten es den Wissenschaftlern, gezielt zu erreichen Modellierung der menschlichen kortikalen Entwicklung in vitro mit induzierten pluripotenten Stammzellen - ein menschliches zerebrales Organoid, das dem Vorderhirn (Hemisphären) mit einem Kortex entspricht, dessen Entwicklung nach die Expression von Genen und Markern, entsprach dem ersten Trimester der fetalen Entwicklung …

Und Wissenschaftler aus Stanford unter der Leitung von Sergiu Pasca haben funktionelle kortikale Neuronen und Astrozyten aus menschlichen pluripotenten Stammzellen in 3D-Kultur entwickelt, um Klumpen zu züchten, die das Vorderhirn direkt in einer Petrischale nachahmen. Die Größe solcher "Gehirne" beträgt etwa 4 Millimeter, aber nach 9-10 Monaten Reifung entsprechen kortikale Neuronen und Astrozyten in dieser Struktur dem postnatalen Entwicklungsstand, dh dem Entwicklungsstand des Babys unmittelbar nach der Geburt.

Wichtig ist, dass Stammzellen zum Züchten solcher Strukturen bestimmten Menschen entnommen werden können, beispielsweise von Patienten mit genetisch bedingten Erkrankungen des Nervensystems. Und die Fortschritte in der Gentechnik lassen vermuten, dass Wissenschaftler schon bald in vitro die Entwicklung des Gehirns eines Neandertalers oder Denisovaners beobachten können.

2013 veröffentlichten Forscher des Instituts für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften einen Artikel Cerebral organoids model human brain development and microcephaly, der die Kultivierung eines „Miniaturhirns“aus zwei Stammzelltypen in einem Bioreaktor beschreibt, der Struktur des gesamten menschlichen Gehirns.

Verschiedene Zonen des Organoids entsprachen verschiedenen Teilen des Gehirns: hintere, mittlere und vordere, und das „Vorderhirn“zeigte sogar eine weitere Differenzierung in Lappen („Hemisphären“). Wichtig ist, dass die Wissenschaftler in diesem Mini-Gehirn, das ebenfalls nur wenige Millimeter groß war, Anzeichen von Aktivität beobachteten, insbesondere Schwankungen der Kalziumkonzentration in den Neuronen, die als Indikator für ihre Erregung dienen (Sie können im Detail lesen über dieses Experiment hier).

Ziel der Wissenschaftler war es, nicht nur die Evolution des Gehirns in vitro zu reproduzieren, sondern auch die molekularen Prozesse zu untersuchen, die zur Mikrozephalie führen – einer Entwicklungsstörung, die insbesondere bei einer Infektion eines Embryos mit dem Zika-Virus auftritt. Dafür haben die Autoren der Arbeit das gleiche Mini-Gehirn aus den Zellen des Patienten gezüchtet.

Trotz der beeindruckenden Ergebnisse waren die Wissenschaftler davon überzeugt, dass solche Organellen nichts realisieren können. Erstens enthält das echte Gehirn etwa 80 Milliarden Neuronen und das gewachsene Organoid enthält mehrere Größenordnungen weniger. Somit ist ein Mini-Gehirn einfach nicht in der Lage, die Funktionen eines echten Gehirns vollständig auszuführen.

Zweitens waren einige seiner Strukturen aufgrund der Besonderheiten der Entwicklung "in vitro" ziemlich chaotisch angeordnet und bildeten falsche, unphysiologische Verbindungen miteinander. Wenn das Mini-Gehirn etwas dachte, war es eindeutig etwas Ungewöhnliches für uns.

Um das Problem der Interaktion von Abteilungen zu lösen, haben Neurowissenschaftler vorgeschlagen, das Gehirn auf einer neuen Ebene zu modellieren, die als "Assemboids" bezeichnet wird. Zu ihrer Bildung werden Organellen zunächst getrennt gezüchtet, die einzelnen Teilen des Gehirns entsprechen, und dann zusammengeführt.

Bei diesem Ansatz untersuchten die Wissenschaftler mit dem Zusammenbau funktionell integrierter menschlicher Vorderhirn-Sphäroide, wie die sogenannten Interneuronen, die nach der Bildung des Großteils der Neuronen durch Migration aus dem angrenzenden Vorderhirn entstehen, in den Kortex eingebaut werden. Aus zwei Arten von Nervengewebe gewonnene Assembloide haben es ermöglicht, Störungen in der Migration von Interneuronen bei Patienten mit Epilepsie und Autismus zu untersuchen.

Wache im Körper eines anderen auf

Trotz aller Verbesserungen werden die Fähigkeiten des Gehirns in der Röhre durch drei grundlegende Bedingungen stark eingeschränkt. Erstens haben sie kein Gefäßsystem, das es ihnen ermöglicht, Sauerstoff und Nährstoffe an ihre inneren Strukturen zu liefern. Aus diesem Grund ist die Größe von Mini-Gehirnen durch die Fähigkeit der Moleküle begrenzt, durch Gewebe zu diffundieren. Zweitens haben sie kein Immunsystem, das durch Mikrogliazellen repräsentiert wird: Normalerweise wandern diese Zellen von außen in das Zentralnervensystem. Drittens hat eine in Lösung wachsende Struktur keine spezifische Mikroumgebung, die vom Körper bereitgestellt wird, was die Anzahl der Signalmoleküle, die sie erreichen, begrenzt. Die Lösung dieser Probleme könnte die Schaffung von Modelltieren mit chimären Gehirnen sein.

Die jüngste Arbeit Ein in-vivo-Modell funktioneller und vaskularisierter Organoide des menschlichen Gehirns von amerikanischen Wissenschaftlern des Salk-Instituts unter der Leitung von Fred Gage beschreibt die Integration einer menschlichen Hirnorganelle (d. h. eines Mini-Gehirns) in das Gehirn einer Maus. Dazu fügten die Wissenschaftler zunächst das Gen für ein grün fluoreszierendes Protein in die DNA von Stammzellen ein, um das Schicksal des sich entwickelnden Nervengewebes mikroskopisch verfolgen zu können. Aus diesen Zellen wurden 40 Tage lang Organoide gezüchtet, die dann in eine Höhle im retrosplenalen Kortex einer immundefizienten Maus implantiert wurden. Drei Monate später wurzelte das Implantat bei 80 Prozent der Tiere.

Die chimären Gehirne der Mäuse wurden acht Monate lang analysiert. Es stellte sich heraus, dass das Organoid, das durch die Lumineszenz eines fluoreszierenden Proteins leicht zu unterscheiden war, erfolgreich integriert wurde, ein verzweigtes Gefäßnetzwerk bildete, Axone wuchs und Synapsen mit den Nervenfortsätzen des Wirtsgehirns bildete. Außerdem sind Mikrogliazellen vom Wirt zum Implantat gewandert. Schließlich bestätigten die Forscher die funktionelle Aktivität der Neuronen – sie zeigten elektrische Aktivität und Kalziumschwankungen. Somit trat das menschliche "Mini-Gehirn" vollständig in die Zusammensetzung des Mausgehirns ein.

Überraschenderweise hatte die Integration eines Stücks menschlichen Nervengewebes keinen Einfluss auf das Verhalten von Versuchsmäusen. In einem Test zum räumlichen Lernen schnitten Mäuse mit chimären Gehirnen genauso ab wie normale Mäuse und hatten sogar ein schlechteres Gedächtnis - die Forscher erklärten dies damit, dass sie zur Implantation ein Loch in die Großhirnrinde bohrten.

Das Ziel dieser Arbeit war es jedoch nicht, eine intelligente Maus mit menschlichem Bewusstsein zu erhalten, sondern ein In-vivo-Modell menschlicher Hirnorganellen zu erstellen, das mit einem vaskulären Netzwerk und einer Mikroumgebung für verschiedene biomedizinische Zwecke ausgestattet ist.

Ein Experiment ganz anderer Art wurde 2013 von Wissenschaftlern des Center for Translational Neuromedicine der University of Rochester inszeniert: Forbrain-Engraftment durch humane Glia-Vorläuferzellen verbessert die synaptische Plastizität und das Lernen bei erwachsenen Mäusen. Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich menschliche akzessorische Gehirnzellen (Astrozyten) stark von denen anderer Tiere, insbesondere von Mäusen. Aus diesem Grund vermuten Forscher, dass Astrozyten eine wichtige Rolle bei der Entwicklung und Aufrechterhaltung der menschlichen Gehirnfunktionen spielen. Um zu testen, wie sich ein chimäres Mausgehirn mit menschlichen Astrozyten entwickeln würde, pflanzten die Wissenschaftler Helferzellvorläufer in die Gehirne von Mausembryonen.

Es stellte sich heraus, dass menschliche Astrozyten in einem chimären Gehirn dreimal schneller arbeiten als Mäuse. Darüber hinaus erwiesen sich Mäuse mit chimären Gehirnen in vielerlei Hinsicht als deutlich schlauer als üblich. Sie waren schneller zu denken, besser zu lernen und durch das Labyrinth zu navigieren. Wahrscheinlich dachten chimäre Mäuse nicht wie Menschen, aber vielleicht konnten sie sich in einer anderen Evolutionsstufe fühlen.

Nagetiere sind jedoch alles andere als ideale Modelle für die Erforschung des menschlichen Gehirns. Tatsache ist, dass das menschliche Nervengewebe nach einer inneren molekularen Uhr reift und seine Übertragung auf einen anderen Organismus diesen Prozess nicht beschleunigt. Wenn man bedenkt, dass Mäuse nur zwei Jahre leben und die vollständige Bildung eines menschlichen Gehirns einige Jahrzehnte dauert, können Langzeitprozesse im Format eines chimären Gehirns nicht untersucht werden. Vielleicht gehört die Zukunft der Neurowissenschaften immer noch den menschlichen Gehirnen in Aquarien – um herauszufinden, wie ethisch es ist, müssen Wissenschaftler nur lernen, Gedanken zu lesen, und die moderne Technologie scheint dies bald zu können.