Як і навіщо вчені вирощують людський мозок - bbc російська служба
У лабораторії Мадлен Ланкастер в даний час знаходиться 300 одиниць людського мозку. Ці мізки ростуть окремо від тіла. Оглядач BBC Future розповідає, як це відбувається.
Під час розмови зі мною Ланкастер не прибирає руку з живота. Вона вагітна.
"О, зараз їм близько шести-семи місяців", - говорить вона. Їх розмір не перевищує чотирьох міліметрів. У неї їх декілька сотень, і кожен з них вже обзавівся двома мільйонами нейронів.
Звичайно, вона говорить не про величезний виводку ще ненароджених дітей, сама Мадлен чекає звичайної дитини. Ланкастер описує партію зростаючих людських мізків, які були створені нею в процесі наукової роботи.
Ми знаходимося в новому науково-експериментальному центрі молекулярної біології британської Ради з досліджень в області медицини в Кембриджі.
Він складається з безлічі лабораторій зі скляними стінами, оснащених найсучаснішим обладнанням. Здається, що його коридори розтягнулися на кілометри.
Центр не засекречений і не перебуває під землею, але в цій будівлі вартістю 212 млн фунтів здійснюються футуристичні проекти, кожен з яких міг би лягти в основу сюжету якого-небудь голлівудського фільму.
Правовласник ілюстрації Zaria Gorvett Image caption Мета Ланкастер - перетворити шкіру людини в функціонуючі клітини мозку
Команда вчених на чолі з Ланкастер працює над неймовірним завданням. На перший погляд здається, що вона має відношення скоріше до чарівництва, ніж до науки: вони намагаються перетворити в мозок людську шкіру.
"Цей мозок розвивається точно так же, як і у ембріонів", - стверджує Ланкастер.
Можливо, це і так, але відбувається зовсім в іншій обстановці. Мозок росте не в утробі матері і не в тілі ембріона, а в гігантському інкубаторі.
Зважаючи на відсутність припливу крові поживні речовини він отримує зі спеціальної рідини, яку змінюють раз в кілька днів.
І, звичайно ж, у нього немає імунної системи: абсолютно всі, що з ним контактує, необхідно дезінфікувати спиртом.
Клітини мозку дуже стійкі, але ніхто не знає, чому
Коли Ланкастер відкриває двері інкубатора, всупереч моїм очікуванням, його вміст не справляє на мене особливого враження. Я бачу безбарвні водянисті грудочки, плаваючі в блідо-рожевою рідини.
Вони більше схожі на шматочки розмокла попкорну, ніж на джерело інтелектуальних здібностей.
Але їх зовнішній вигляд оманливий. Насправді ці грудочки, названі "мозковими органоидами", дуже схожі на мозок звичайної людини.
Як і будь-який інший мозок, органоид має сіра речовина, що складається з нейронів, і біла речовина, що складається з відростків нервових клітин, вкритих жировою тканиною.
Правовласник ілюстрації Zaria Gorvett Image caption У мозку кипить електрична активність: так нейрони передають один одному інформацію
Як і звичайний мозок, всі вони складаються з певних ділянок - зморщеною кори (вважається, що вона відповідає за мову і свідоме мислення), гіпокампу (центру емоцій і пам'яті), мозочка, що координує діяльність м'язів, і багатьох інших.
В цілому їх можна вважати еквівалентними мозку дев'ятитижневий плода.
Так як же їх вдалося створити?
Насправді створити мозок не так складно, як здається. Якщо у вас є кілька простих інгредієнтів і готовність без кінця протирати все спиртом, ви теж зможете виростити мініатюрний мозок за кілька місяців.
Перш за все вам знадобляться клітини. Ланкастер і її колеги взяли їх із зразків донорської шкіри.
Якщо у вас є кілька простих інгредієнтів і готовність без кінця протирати все спиртом, ви теж зможете виростити мініатюрний мозок за кілька місяців
Однак, як не дивно, щоб створити цей шедевр людської еволюції, можна почати з клітин будь-якого типу, незалежно від того, де вони знаходяться - в носі, печінки або нігтях.
В будь-які тканини людського тіла здатні перетворюватися тільки стовбурові клітини, тому наступним кроком стане перетворення ваших клітин в стовбурові.
Для цього вчені використовували свого роду сироватку молодості клітин - білковий коктейль, здатний повернути час назад і повернути будь-яку клітину в її первісний стан.
Правовласник ілюстрації iStock Image caption Крихітний мозок не здатний мислити: йому не вистачає тіла, яке допомогло б йому обробляти інформацію
Через тиждень у вас утворюється пласт клітин, який можна буде отримати з чашки Петрі, а потім сформувати з нього кульку.
Ланкастер дістає ємність з рожевою рідиною. "Зараз вони крихітні, але розгледіти їх можна", - говорить вона.
І дійсно, в кожній лунці видно ледь помітні білі крапки. "Вони як би намагаються стати ембріоном", - пояснює вона.
Згодом почнеться процес диференціації стовбурових клітин, і однорідні кульки перетворяться в набір різних клітин. Серед них будуть і клітини мозку.
Варто відзначити, що дослідники, як дбайливі батьки, добре годують свої ембріони і всіляко сприяють їх зростанню. Але це триває недовго.
Потім кульки з клітин поміщають в іншу ємність, на цей раз з невеликою кількістю поживних речовин. Клітини починають голодувати, і багато хто з них помирають.
Виживають тільки клітини мозку. "Вони дуже стійкі, але ніхто не знає, чому", - говорить вона.
Через три місяці ми отримуємо мозок діаметром близько чотирьох міліметрів, що містить близько двох мільйонів нейронів
Нарешті, розвивається мозок поміщають в желе. "Це незвичайне желе - спочатку воно знаходиться в рідкому стані, а в міру нагрівання в інкубаторі починає загусати", - пояснює вона.
Желе імітує тканину, навколишнє мозок людського ембріона, замінюючи собою череп, і дозволяє мозку розвиватися відносно нормально.
Тепер залишається тільки чекати. Через три місяці ми отримуємо мозок діаметром близько чотирьох міліметрів, що містить близько двох мільйонів нейронів.
"Повністю розвинутий мозок дорослої миші містить всього чотири мільйони нейронів, тому для нашого дослідження двох більш ніж достатньо", - говорить Ланкастер.
Достовірно невідомо, як в нашому мозку народжуються думки
У мозку не згасає електрична активність: нейрони постійно обмінюються сигналами. Ланкастер каже, що це не таке вже велике досягнення з її боку.
"У цьому немає нічого особливого - просто ми можемо переконатися в тому, що створили функціонують нейрони, які виконують своє призначення", - пояснює вона.
На відміну від серцевих клітин, запрограмованих перекачувати кров, нейрони прагнуть передавати електричні імпульси.
"Навіть якщо в чашці буде тільки один нейрон, і йому не буде кому відправляти імпульси, це прагнення настільки велике, що він буде посилати їх сам собі", - говорить Ланкастер.
Правовласник ілюстрації iStock Image caption У крихітному мозку, створеному Ланкастер і її колегами, міститься два мільйони нейронів - всього в два рази менше, ніж в мозку миші
На даний момент мозок, створений Ланкастер, не здатний думати, однак це й не входило в її плани.
Поки достовірно не відомо, як в нашому мозку народжуються думки. Як не дивно, але дати чітке визначення поняттю "думка" поки також не вдалося.
Проте цей процес може відбуватися приблизно так. Як правило, отримуючи стимули із зовнішнього світу (запахи, звуки, ідеї), мозок зберігає інформацію, зміцнюючи зв'язки між нейронами або формуючи нові нейрони.
У середньостатистичної людини їх близько тисячі трильйонів, і це означає, що потужність нашого мозку дорівнює потужності комп'ютера, здатного обробляти трильйон біт в секунду.
Але ось у чому заковика: навіть маючи структуру, схожу зі звичайним мозком, штучно створений мозок не може нормально розвиватися без тіла, яке забезпечувало б його інформацією про навколишній світ.
"Нейрони функціонують, але зв'язку між ними практично відсутні", - говорить Ланкастер.
Пояснити це можна на прикладі людини, яка народилася сліпим. "Він не бачить світла, і тому ділянку мозку, що відповідає за обробку відповідних сигналів, просто не сформується", - пояснює вона.
Незважаючи на наше інтелектуальну перевагу, генетично ми відрізняємося від шимпанзе всього на 1,2%
Підключивши штучно вирощений мозок до електроенцефалографу, ви, швидше за все, не отримаєте ніяких результатів.
Так звані мозкові хвилі, які здатний реєструвати цей апарат, з'являються при одночасному порушенні мільйонів нейронів, і їх сумарну електричну активність можна виміряти, приклавши до шкіри голови спеціальні електроди.
"Мені здається, це корисний досвід. Я була б божевільною, якщо б вважала, що в них сформується повноцінна нейронна мережа", - говорить вона.
Але Ланкастер і не планувала створити мозок, здатний свідомо мислити. Він потрібен їй, щоб розгадати давню загадку: незважаючи на наше інтелектуальну перевагу, генетично ми відрізняємося від шимпанзе всього на 1,2%.
Це всього лише в 12 разів більше генетичної різниці між окремими людьми (0,1%). Чому?
Правовласник ілюстрації iStock Image caption Ланкастер і її колеги вже змішали клітини людського мозку з клітинами мозку шимпанзе, створеними з плаценти
Щоб з'ясувати це, вчені замінювали окремі гени, що відповідають за розвиток мозку, генами шимпанзе, а потім використовували отримані клітини для створення гібрида мозку людини і шимпанзе.
У міру його розвитку прояснюється роль кожного гена, і мозок з генами шимпанзе, наприклад, може бути істотно менше, ніж звичайний людський мозок, або може містити менше нейронів.
Іншими словами, цей мозок дозволяє вченим проводити експерименти, які в іншому випадку їм ніколи не дозволили б здійснити (уявіть собі, який резонанс викликало б впровадження генів шимпанзе в мозок живої людини).
В майбутньому Ланкастер сподівається організувати серію експериментів з мозком шимпанзе, вирощеним в лабораторних умовах.
Це буде непросто, тому що цей вид є охоронюваним, і не можна просто так увійти в клітку до шимпанзе і взяти у нього шматочок шкіри. Проте вони знайшли нехай і не найпривабливіший, але цілком відповідне джерело клітин.
"Коли тварина в зоопарку приносить потомство, плаценту зазвичай просто викидають, але ми можемо забрати її собі", - пояснює Ланкастер.
Кілька груп вчених працюють над вдосконаленням мозку, забезпечуючи його кров'ю, щоб він міг досягти великих розмірів
Інші вчені використовують органели для вивчення хвороб, характерних тільки для людини, в тому числі аутизму і шизофренії. Раніше досліджувати їх причини в лабораторії було непросто, адже вони не зустрічаються у тварин.
Візьмемо, наприклад, аутизм. Діти, які страждають важкою формою цього захворювання, не можуть говорити. Як же можна вивчити це розлад на мишах?
Порівнюючи мозок, вирощений з клітин шкіри здорових дорослих і пацієнтів, що страждають на аутизм, в минулому році вчені змогли довести, що це захворювання може бути викликане порушенням балансу між двома основними типами нейронів - збудливими, тобто генеруючими сигнали, і гальмують - надають зворотну дію.
"В здоровому мозку робота цих двох видів нейронів дуже чітко скоординована і має великий вплив на функціонування всієї системи", - говорить Ланкастер.
Правовласник ілюстрації iStock Image caption Штучно вирощений мозок може змінити наші уявлення про власній свідомості
Справжнім проривом стало відкриття, що за допомогою штучно вирощеного мозку можна не тільки відтворити це розлад, але і повернутися в минуле і зрозуміти, чим відрізняється мозок людини, що страждає аутизмом.
"Можна спостерігати за процесом його розвитку і виявити, на якому етапі виникають відхилення. У звичайних умовах це зробити неможливо", - говорить вона.
Мозок, створений в лабораторії, вже змінив наші уявлення про цей орган, його захворюваннях і про те, що відрізняє людину від усіх інших видів.
Так що ж чекає нас в майбутньому? Кілька груп вчених працюють над вдосконаленням мозку, забезпечуючи його кров'ю, щоб він міг досягти великих розмірів.
В даний час мозок розміром 4 мм повністю залежить від кисню і поживних речовин, що надходять в нього з навколишнього його рідини.
Для багатьох вчених кінцевою метою є створення мозку, який функціонував би як звичайний людський - з мережами нейронів, і який можна було б обробляти будь-якими речовинами, різати і вивчати, як мозок лабораторних мишей.
Але поки органели інертні, як шматочки попкорну, на які вони схожі.