Καλλιεργώντας εγκεφάλους στο εργαστήριο!

Καλλιεργώντας εγκεφάλους στο εργαστήριο!

Αυτό που μας κάνει ανθρώπους είναι η εργασία μέσα στην κοινωνία. Η ίδια η κοινωνία, ο πολιτισμός, αναπτύχθηκαν χάρη στην εργασία. Μέσα από τη διαδικασία σχηματισμού τους επηρέασαν την ίδια τη φυσιολογία του ανθρώπου. Η κατασκευή όλο και πιο αποτελεσματικών εργαλείων μετασχημάτισε στην πορεία χιλιάδων χρόνων το χέρι του πιθήκου σε χέρι ανθρώπου. Μαζί εξελίχτηκε και ο ανθρώπινος εγκέφαλος. Δεν ήταν ο εγκέφαλος που έκανε ή κάνει τον homo sapiens, άνθρωπο. Εκεί, πάντως, στον εγκέφαλο, σε αυτά τα 1.400 γραμμάρια κιτρινωπού ιστού, εδρεύουν οι σκέψεις μας, τα συναισθήματά μας, οι αναμνήσεις μας. Είναι το πιο σύνθετο όργανο που γνωρίζουμε στη φύση. Αποτελείται από περίπου 86 δισεκατομμύρια νευρώνες (νευρικά κύτταρα), που γεννιούνται την κατάλληλη στιγμή ανάπτυξης του εμβρύου, μεταναστεύουν στο σωστό σημείο και διασυνδέονται με το σωστό τρόπο μεταξύ τους.

Η κατανόηση του ακριβούς τρόπου, που αναπτύσσεται και λειτουργεί ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι η μεγαλύτερη πρόκληση για τη σύγχρονη βιολογία. Τα περισσότερα που έχουμε μάθει γι' αυτό το όργανο τα τελευταία 100 χρόνια που το μελετάμε επισταμένα, προέρχονται από πειράματα σε ζώα, κυρίως ποντίκια και αρουραίους. Τα ζώα αυτά έχουν παρόμοια αρχιτεκτονική δομή εγκεφάλου: Διαθέτουν τον ίδιο τύπο νευρικών κυττάρων και βασίζονται ουσιαστικά στα ίδια μέρη του εγκεφάλου, για την πραγματοποίηση νοητικών λειτουργιών που μοιραζόμαστε μαζί τους. Βέβαια, πέρα από το μέγεθος, ο ανθρώπινος εγκέφαλος διαφέρει από του ποντικού στον μεγάλο αριθμό ελίκων που διαθέτει (του ποντικού είναι λείος).

Διαφορές με σημασία

Αυτή η διαφορά μπορεί να φαίνεται δευτερεύουσα. Αλλά οι νευροβιολόγοι θεωρούν ότι αυτές οι δίπλες του φλοιού είναι που κάνουν δυνατή την ανώτερη λειτουργία του ανθρώπινου εγκεφάλου. Επιτρέπουν την ύπαρξη πολύ μεγαλύτερης πυκνότητας νευρώνων και είναι εξέχον χαρακτηριστικό όλων των «έξυπνων» ζώων, όπως οι πίθηκοι, οι γάτες, τα σκυλιά και οι φάλαινες. Οι εξελικτικοί βιολόγοι απέδειξαν ότι οι αναδιπλώσεις του φλοιού έχουν ως αιτία μια άλλη διαφορά ανάμεσα σε ποντίκια και ανθρώπους: οι νευρώνες σε πολλά μέρη του εγκεφάλου προέρχονται από ένα είδος πρόδρομων κυττάρων, που υπάρχουν σε πολύ μικρό αριθμό στα ποντίκια, σε αντίθεση με τους ανθρώπους.

Αυτές οι διαφορές ίσως εξηγούν γιατί πολλές κοινές γενετικές μεταλλάξεις υπεύθυνες για σοβαρές νευρολογικές ασθένειες στους ανθρώπους, έχουν πολύ μικρές επιπτώσεις όταν προκληθούν στα ποντίκια από ερευνητές που μελετούν τους μηχανισμούς αυτών των ασθενειών. Αν οι μεταλλάξεις επηρεάζουν την ανάπτυξη ή τη συντήρηση της υγιούς εγκεφαλικής δομής στον ανθρώπινο εγκέφαλο ή τη λειτουργία ειδών κυττάρων που υπάρχουν κυρίως στους ανθρώπους, τότε οι μελέτες σε πειραματόζωα είναι καταδικασμένες να αποτύχουν. Μάλιστα, τα μοναδικά χαρακτηριστικά του ανθρώπινου εγκεφάλου ίσως είναι ένας από τους λόγους που οι μελέτες με τρωκτικά δεν έχουν αποδώσει αποτελεσματικές θεραπείες για διαταραχές, όπως η σχιζοφρένεια, η επιληψία και ο αυτισμός.

Στη γυάλα

Η αναγνώριση των διαφορών ανάμεσα στους εγκεφάλους ποντικών και ανθρώπων έχει παρακινήσει τους επιστήμονες να αναζητήσουν καταλληλότερους τρόπους πραγματοποίησης νευρολογικών πειραμάτων. Μια από τις μεθόδους αυτές είναι η ανάπτυξη του μεγαλύτερου μέρους ενός εγκεφάλου σε μικρογραφία μέσα στο εργαστήριο. Αυτές οι εγκεφαλικές δομές, που ονομάζονται οργανοειδή, παρέχουν ένα μοντέλο του ανθρώπινου εγκεφάλου, που θα δώσει στους επιστήμονες πληροφορίες, που ήταν αδύνατο να πάρουν από τις μελέτες σε ποντίκια. Οι ερευνητές μπορούν να παρατηρήσουν τι συμβαίνει όταν ο εγκέφαλος σε γυάλα, ο μίνι εγκέφαλος, εκτίθεται, για παράδειγμα στον ιό Ζίκα, που μπορεί να διακόψει την εγκεφαλική ανάπτυξη στα έμβρυα των μολυσμένων από τον ιό γυναικών, ή τι συμβαίνει σε ένα οργανοειδές που κατασκευάστηκε γενετικά ως απομίμηση εγκεφάλου, που πάσχει από κάποια νευρολογική διαταραχή.

Η ιδέα ανάπτυξης ανθρώπινων εγκεφάλων στο εργαστήριο σίγουρα προκαλεί αποστροφή σε πολλούς. Αραγε, μήπως θα μπορούσαν να αναπτύξουν σκέψεις ή ακόμη και συνείδηση; Αυτά είναι αστήριχτοι φόβοι, υποστηρίζει εμφατικά ένας από τους επιστήμονες που ανέπτυξαν τα οργανοειδή, ο Γιούργκεν Νόμπλιχ, υποδιευθυντής του Ινστιτούτου Μοριακής Βιοτεχνολογίας της Ακαδημίας Επιστημών της Αυστρίας, στη Βιέννη. Η πιθανότητα ένας αναπτυγμένος στο εργαστήριο εγκέφαλος να εμφανίσει συνείδηση είναι μηδενική. Ενα οργανοειδές, λέει, δεν είναι ένα «ανθρωποειδές» στη γυάλα και δεν θα γίνει ούτε στο απόμακρο μέλλον. Κάθε ον που έχει συνείδηση πρέπει να μπορεί να δέχεται και να επεξεργάζεται πληροφορίες από τις αισθήσεις, ώστε να αναπτύξει ένα νοητικό μοντέλο της πραγματικότητας. Τα οργανοειδή δεν μπορούν ούτε να δουν, ούτε να ακούσουν και γενικά δεν έχουν καμία εισαγωγή πληροφοριών από αισθητήρια. Ακόμη κι αν τα συνδέαμε με μια κάμερα και ένα μικρόφωνο, οι εισερχόμενες οπτικές και ακουστικές πληροφορίες θα έπρεπε να μετασχηματιστούν σε μια μορφή που θα μπορούσε να γίνει αντιληπτή από αυτούς τους εγκεφάλους στη γυάλα και όπως έχουν τα πράγματα αυτός ο μετασχηματισμός συναντά ανυπέρβλητα τεχνικά εμπόδια.

Ζητήματα

Τα οργανοειδή δεν είναι λειτουργικοί εγκέφαλοι, παρά κομμάτια ιστού που μιμούνται τη μοριακή και κυτταρική λειτουργία του οργάνου σε εκπληκτικά επίπεδα λεπτομέρειας. Μοιάζουν περισσότερο με κομμάτια εγκεφαλικού ιστού που αφαιρέθηκαν σε κάποια εγχείρηση, όχι με όντα που έχουν συνείδηση.

Παρ' όλ' αυτά, η καλλιέργεια οργανοειδών δημιουργεί ορισμένα ηθικά και νομικά ζητήματα. Ολα τα οργανοειδή προέρχονται από κύτταρα που λήφθηκαν από άτομα που έχουν συγκεκριμένα νομικά δικαιώματα και γι' αυτό ο πειραματισμός με τα οργανοειδή πρέπει να ακολουθεί τους κανόνες που ακολουθούνται με όλα τα βιολογικά δείγματα που παίρνονται από ανθρώπους. Καταρχάς, πρέπει να δώσουν τη συγκατάθεσή τους για χρήση των κυττάρων σε έρευνες. Ακόμη και όταν εξηγηθούν τα ερευνητικά πλεονεκτήματα των οργανοειδών, οι δωρητές, τουλάχιστον στην αρχή συχνά νιώθουν άβολα με την ιδέα τα κύτταρά τους να καλλιεργηθούν σε δομές παρόμοιες με εγκεφάλους.

Οι ερευνητές, όπως ο Νόμπλιχ, θέλουν να βελτιώσουν τα οργανοειδή, ενσωματώνοντας καταρχάς σε αυτά αιμοφόρα αγγεία. Η έλλειψη αγγείων δεν είναι πρόβλημα κατά τα πρώιμα στάδια ανάπτυξης των οργανοειδών, αλλά στην πορεία του χρόνου τα κύτταρα, ιδιαίτερα στο εσωτερικό, αρχίζουν να πεθαίνουν από έλλειψη οξυγόνου και θρεπτικών ουσιών. Θεωρητικά θα μπορούσε να ενσωματωθεί ένα δίκτυο αγγείων στα οργανοειδή, είτε με τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης ή με ανάπτυξη των αγγείων από βλαστοκύτταρα.

Φαντασία και διαστροφή

Παραπέρα, οι επιστήμονες θέλουν να φτιάξουν οργανοειδή που θα έχουν και κάποιο άλλο κοινό χαρακτηριστικό με τον πραγματικό εγκέφαλο, δηλαδή άξονες μπροστά - πίσω και πάνω - κάτω. Σε αντίθεση με τα έμβρυα, που έχουν ξεκάθαρους σωματικούς άξονες, τα οργανοειδή δεν διαθέτουν κάτι ανάλογο, με αποτέλεσμα να είναι σβόλοι απροσδιόριστης μορφής και εσωτερικής διάταξης των τμημάτων τους. Στο αναπτυσσόμενο έμβρυο, σύνθετα συστήματα χημικών σημάτων επιτρέπουν στον εγκέφαλο να γνωρίζει το πάνω και το κάτω (ως προς τον κάθετο άξονα του εμβρύου), καθώς επίσης και το μπρος - πίσω και αυτά τα χημικά σήματα, ίσως λειτουργήσουν και στα οργανοειδή.

Ανεξάρτητα από την ευόδωση αυτών των επιδιώξεων, οι μίνι εγκέφαλοι κάνουν πραγματικότητα κάτι που αποτελούσε επιστημονική φαντασία πριν από λίγα χρόνια. Τα οργανοειδή ήδη βοηθούν στην καλύτερη κατανόηση των διαταραχών του εγκεφάλου και στην αναζήτηση καλύτερων φαρμάκων. Εχουν ανοίξει ένα νέο κεφάλαιο στη βιολογική έρευνα, παρέχοντας πολύ πιο ρεαλιστικές καλλιέργειες στο εργαστήριο και ορισμένες φορές μπορούν να αποτελέσουν εναλλακτική λύση για την αποφυγή χρήσης πειραματόζωων. Από κει και πέρα, το πώς θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν π.χ. στον στρατιωτικό τομέα, όταν αποκτήσουν τα ελλείποντα χαρακτηριστικά και ξεπεραστούν τα «ανυπέρβλητα τεχνικά εμπόδια» του μετασχηματισμού των πληροφοριών από αισθητήρια, είναι υπόθεση των θρίλερ επιστημονικής φαντασίας. Ταυτόχρονα, είναι υπόθεση των ανθρώπων να απαλλαγούν από το σύστημα που γεννά τους πολέμους και κάνει αναγκαίους τους στρατούς, ώστε - μεταξύ άλλων - να έχουν λόγο για την εξέλιξη και χρήση τέτοιων ερευνών.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»