Hodowanie mózgów w probówce – pierwsze doniesienia

Hodowanie tkanki właściwie dowolnego  typu jest już dziś normalną procedurą laboratoryjną, jednak wciąż istnieją poważne trudności na drodze do hodowania całych, funkcjonujących organów. Na czym polega różnica? Po pierwsze, najprostsze tkanki składają się z jednego typu komórek, podczas gdy organy – z wielu. Po drugie, komórki nie tworzą jednolitej, amorficznej masy, lecz są zorganizowane przestrzennie wedle niezwykle precyzyjnie określonego wzorca, którego zaburzenie prowadzi do nieprawidłowego funkcjonowania tkanki. Po trzecie, organy ciała nie wiszą w próżni, ich prawidłowe działanie wymaga „współpracy” ze strony okolicznych tkanek i innych organów. Minimalną wersją takiej „współpracy” jest obecność układu krążenia (do każdej komórki w organizmie musi prowadzić osobne naczynie krwionośne!).

Naukowcy reprezentujący 4 różne instytucje naukowe z Austrii i Wielkiej Brytanii zmierzyli się w szczególności z drugim opisanym tu problemem. Uzyskane twory, nazwane wdzięcznie „organoidami mózgowymi” (cerebral organoids), powstają ze specjalnego szczepu komórek macierzystych i składają się docelowo z tylko jednego tylko komórek – neuronów. Osiągają przy tym maksymalny rozmiar ok. 2-3 milimetrów – niewiele przekraczający średnicę łepka od szpilki. Górna granica wynika z nieobecności układu krążenia – środowisko, w którym hodowane są „organoidy”, musi zapewniać wyżywienie każdemu neuronowi z osobna po prostu na drodze dyfuzji. Taki rozmiar może wyglądać skromnie jak na „mózg” , warto jednak pamiętać, że milimetrowej średnicy głowa mrówki mieści w sobie organ zdolny nie tylko do kontrolowania mrówczego ciała, zapamiętywania zapachów i drążenia podziemnych komór, ale także hodowania w nich jadalnych grzybków oraz aktywnego leczenia kolonii z infekcji bakteryjnych.

Mózg w miniaturce

Na czym polega mózgo-podobność opisywanych w pracy organoidów? Przede wszystkim, cechuje je „regionalizacja”, czyli obecność różniących się od siebie strukturalnie i chemicznie obszarów, analogicznych do znanych z anatomii części mózgu. Nawet bez dogłębnej znajomości neuroanatomii widać gołym okiem, że poniższy twór nie jest jednolitą kupką komórek, lecz wykazuje zaawansowane zorganizowanie przestrzenne, a zastosowane techniki barwienia demonstrują, że różne części organoidu różnią się również reaktywnością komórek.

Źródło: http://www.nature.com/nature/journal/v501/n7467/fig_tab/nature12517_F1.html. Prawa autorskie należą do autorów cytowanej pracy.

Obok regularnej, warstwowej struktury przypominającej zwój kory mózgowej (jest ona widoczna po prawej stronie ilustracji), w „organoidach” obecna jest także jama wypełniona płynem, analogiczna do komór mózgu wypełnionych płynem mózgowo-rdzeniowym, a także splot naczyniówkowy – delikatna, siateczkowata struktura odpowiedzialna za produkcję tego płynu. W niektórych eksperymentach udało się także uzyskać na części powierzchniowej tkanki pigmentowany nabłonek reagujący na światło – odpowiednik siatkówki oka!

Autorzy pracy podkreślają „samodzielne” wykształcanie się omawianych tu regionów mózgu – nie było konieczne stosowanie „rusztowań” dla poszczególnych komórek, żeby ułożyły się w pożądany kształt, albo traktowanie poszczególnych segmentów innymi odczynnikami chemicznymi, żeby uległy zróżnicowaniu. Powstawanie cech „mózgopodobnych” wynika ze spontanicznego „uzgadniania” i „negocjowania” sygnałów zachodzących między komórkami macierzystymi mózgu – trochę tak, jak struktura społeczna mrowiska wyłania się z działań poszczególnych mrówek albo regularna struktura kryształów z indywidualnych oddziaływań międzyatomowych. Jest to kolejny przejaw pięknej, fascynującej i wciąż tajemniczej zdolności świata do „samoorganizowania się”.

Zdolność tkanki neuronalnej do spontanicznego „stawania się mózgiem” nie kończy się jednak na strukturze. Na filmie nr 2 dołączonym do cytowanej pracy w jej wersji online widać, jak neurony „kory” organoidu spontanicznie „zapalają się” i „gasną”. Sprawa zaczyna robić się coraz poważniejsza – uzyskane twory nie tylko morfologicznie przypominają mózgi, nie tylko posiadają minimalną zdolność odbierania bodźców, ale też wykazują samoistną (choć, trzeba przyznać, że dość skromną) aktywność!

Zdrowy rozsądek nakazuje zachować ostrożność z wyciąganiem zbyt daleko idących wniosków. To przecież nie są jeszcze „działające” mózgi, tak? Z drugiej strony warto pamiętać, że z punktu widzenia „standardowego” materialistycznego światopoglądu naukowego ludzka świadomość – czymkolwiek by była – jest właśnie spontanicznym, samoistnym efektem zgromadzenia się odpowiedniej ilości odpowiednio ustrukturyzowanej tkanki mózgowej. Z tego punktu widzenia nie jest potrzebny żaden specjalny pozamaterialny zapalnik – wyłącznie odpowiednia konfiguracja materii… Wysiłek autorów pracy polega zaś na tym, aby wytworzyć materię biologiczną jak najbardziej podobną do ludzkiego mózgu.

Czy tylko mózg tworzy umysł?

Obok znaczenia medycznego, a nawet obok potencjalnie potwornego znaczenia etycznego, opisywany tu eksperyment ma więc niemałą wagę filozoficzną. O ileż łatwiej jest prowadzić akademickie dysputy na temat tego, co konstytuuje świadomość, dopóki nie stanie się „oko w oko” z „organoidem mózgowym”, unoszącym się spokojnie w ciepłej wirówce w wiedeńskim laboratorium biotechnologicznym! Warto dodać, że mechanizmy odpowiedzialne za powstawanie sieci naczyń krwionośnych powoli zaczynają być znane i jest tylko kwestią czasu tworzenie coraz to większych „organoidów”, które będą solidnie ukrwione i tętniące życiem. Czy istnieje kryterium pozwalające na zadecydowanie, czy występująca w takim kłębku materii aktywność elektrochemiczna powinna być interpretowana jako „ślad” świadomości?

Problem można ugryźć z nieco innej strony – w neurologii klinicznej czasem orzeka się obecność lub brak świadomości całkowicie „z zewnątrz”. U pacjentów niewykazujących żadnej świadomej aktywności przeprowadza się obecnie różnego typu badania obrazowe, między innymi funkcjonalny rezonans magnetyczny, pozwalający na oszacowanie aktywności określonych partii mózgu. Gdy pacjent nie wykazuje cech normalnego metabolizmu w wyższych obszarach mózgu, uznaje się, że popadł w stan wegetatywny, który interpretuje się jako brak świadomości. Gdy obecny jest względnie normalny poziom metabolizmu, otwiera się możliwość diagnozy zespołu zamknięcia (locked-in syndrome), który interpretuje się jako obecność świadomości przy braku możliwości kontaktu. Co ważne, istnieje ciągłość między pierwszą a drugą ewentualnością i coraz częściej mówi się o „częściowej świadomości” lub „resztkowej świadomości”. W świecie medycyny trwa dyskusja na temat tego, czy nie powinno się jednoznacznie ustalić pewnego typu „progowej” ilości metabolizmu mózgowego, poniżej której orzeka się stan wegetatywny. Kwestia jest poważna również ze względu prawnego – procedury dotyczące stosowania terapii podtrzymujących życie ściśle zależą od diagnozy.

Naiwne zastosowanie tego typu rozumowania do analizy statusu organoidów prowadzi do barwnego scenariusza, w którym ze względów bioetycznych przerywa się prace nad danym organoidem, gdy tylko występujące w nim zużycie tlenu przekracza ustalony wcześniej poziom, uznany za minimalny dla wystąpienia świadomości. Włosy stają dęba, prawda?

Z drugiej strony warto pamiętać o stanowiskach, zgodnie z którymi „nie sam mózg czyni umysł”. W „najłagodniejszej” postaci oznacza to np. koncepcję Antonio Damasio, który głosi (m.in. w „Błędzie Kartezjusza”), że mózg pozbawiony połączeń z resztą ciała, jego naturalnym rozwojem, metabolizmem i oddziaływaniem ze środowiskiem nie jest w stanie zapewnić odpowiedniego „podłoża” dla umysłu. Innymi słowy, umysł jest efektem interakcji mózgu z ciałem i ciała ze środowiskiem, a nie wynikiem pracy samego mózgu. Zdaniem innych filozofów do zaistnienia świadomości potrzebny jest jeszcze „impuls z zewnątrz”. Czy istnieje jednak język, za pomocą którego można z równą swobodą mówić o rosnących i coraz bardziej aktywnych metabolicznie organoidach mózgowych oraz o Umyśle przez duże „u”?

Mimo tysięcy lat zmagania się z tym problemem, wydaje się, że wciąż zionie potężna przepaść między językiem „obiektywnym” (czyli nakierowanym na przedmiot, w tym przypadku mózg i jego elementy) a „subiektywnym” (czyli nakierowanym na podmiot, czyli te wszystkie kwestie związane z umysłowością, do których mamy dostęp „od wewnątrz”, np. świadomość, wrażenia, myśli). Może kogoś z czytających opisana tu historia „organoidów” zmotywuje do rozwiązania w końcu tego problemu? No to jak – czy we wnętrzu tych kuleczek materii neuronalnej lęgną się już myśli, uczucia i świadomość własnej odrębności? A jeśli nie – to czego jeszcze brakuje?

Łukasz Lamża

* M.A. Lancaster i in.: Cerebral organoids model human brain development and microcephaly, Nature 501, 19.09.2013, 373-379