Como os pesquisadores estudam o cérebro humano isolado do corpo

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 04:08

Como os cientistas criam modelos do cérebro humano e quais são as questões éticas que essa pesquisa levanta.

A revista Nature publicou A ética da experimentação com tecido cerebral humano, uma carta coletiva de 17 neurocientistas importantes do mundo, na qual os cientistas discutiram o progresso no desenvolvimento de modelos cerebrais humanos. Os temores dos especialistas são os seguintes: provavelmente num futuro próximo os modelos se tornarão tão avançados que começarão a reproduzir não apenas a estrutura, mas também as funções do cérebro humano.

É possível criar "em um tubo de ensaio" um pedaço de tecido nervoso que tenha consciência? Os cientistas conhecem a estrutura do cérebro dos animais nos mínimos detalhes, mas ainda não descobriram quais estruturas "codificam" a consciência e como medir sua presença, se estamos falando de um cérebro isolado ou de sua semelhança.

Cérebro no aquário

“Imagine acordar em uma câmara de privação sensorial isolada - não há luz, nem som, nem estímulos externos ao redor. Apenas a sua consciência, pairando no vazio."

Essa é a imagem de especialistas em ética comentando uma declaração do neurocientista da Universidade de Yale Nenad Sestan de que sua equipe foi capaz de manter vivo um cérebro de porco isolado por 36 horas.

Os pesquisadores estão mantendo cérebros de suínos vivos fora do corpo O relatório de um experimento bem-sucedido foi feito em uma reunião do Comitê de Ética dos Institutos Nacionais de Saúde dos Estados Unidos no final de março deste ano. Usando um sistema de bomba aquecida chamado BrainEx e um substituto do sangue sintético, os pesquisadores mantiveram a circulação do fluido e o suprimento de oxigênio para os cérebros isolados de centenas de animais mortos em um matadouro algumas horas antes do experimento, disse ele.

Os órgãos permaneceram vivos, a julgar pela persistência da atividade de bilhões de neurônios individuais. No entanto, os cientistas não podem dizer se os cérebros de suínos colocados no "aquário" retêm sinais de consciência. A ausência de atividade elétrica, testada de forma padronizada por meio de um eletroencefalograma, convenceu Sestan de que "esse cérebro não está preocupado com nada". É possível que o cérebro isolado do animal estivesse em coma, o que, em particular, poderia ser facilitado pelos componentes da solução que o lavam.

Os autores não divulgam os detalhes do experimento - estão preparando uma publicação em uma revista científica. No entanto, mesmo o relatório de Sestan, pobre em detalhes, despertou grande interesse e muita especulação sobre o desenvolvimento posterior da tecnologia. Parece que preservar o cérebro não é muito mais difícil tecnicamente do que preservar qualquer outro órgão para transplante, como o coração ou o rim.

Isso significa que teoricamente é possível preservar o cérebro humano em um estado mais ou menos natural.

Cérebros isolados podem ser um bom modelo, por exemplo, para pesquisar drogas: afinal, as restrições regulatórias existentes se aplicam a pessoas vivas, e não a órgãos individuais. No entanto, do ponto de vista ético, muitas questões surgem aqui. Mesmo a questão da morte encefálica permanece uma "área cinzenta" para os pesquisadores - apesar da existência de critérios médicos formais, há uma série de condições semelhantes, a partir das quais um retorno à atividade normal de vida ainda é possível. O que podemos dizer sobre a situação quando afirmamos que o cérebro permanece vivo. E se o cérebro, isolado do corpo, continuar a reter alguns ou todos os traços de personalidade? Então é bem possível imaginar a situação descrita no início do artigo.

Onde a consciência se esconde

Apesar de até a década de 80 do século 20 haver partidários da teoria do dualismo, que separa a alma do corpo, entre os cientistas, em nossa época até os filósofos que estudam o psiquismo concordam que tudo o que chamamos de consciência é gerado pelo cérebro material (história A questão pode ser lida com mais detalhes, por exemplo, neste capítulo Onde está a consciência: História da Questão e Perspectivas de Busca do livro do Prêmio Nobel Eric Kandel "Em Busca da Memória").

Além do mais, com técnicas modernas, como a ressonância magnética funcional, os cientistas podem rastrear quais áreas do cérebro são ativadas durante exercícios mentais específicos. No entanto, o conceito de consciência como um todo é muito efêmero, e os cientistas ainda não concordam se ele é codificado por um conjunto de processos que ocorrem no cérebro ou se certos correlatos neurais são responsáveis por ele.

Como Kandel diz em seu livro, em pacientes com hemisférios cerebrais separados cirurgicamente, a consciência é dividida em duas, cada uma das quais percebe uma imagem independente do mundo.

Esses e outros casos semelhantes da prática neurocirúrgica indicam pelo menos que, para a existência da consciência, a integridade do cérebro como estrutura simétrica não é necessária. Alguns cientistas, incluindo o descobridor da estrutura do DNA Francis Crick, que no final da vida se interessou pela neurociência, acreditam que a presença da consciência é determinada por estruturas específicas no cérebro.

Talvez sejam certos circuitos neurais, ou talvez o ponto esteja nas células auxiliares do cérebro - astrócitos, que nos humanos, em comparação com outros animais, são altamente especializados. De uma forma ou de outra, os cientistas já chegaram ao ponto de modelar estruturas individuais do cérebro humano in vitro (“in vitro”) ou mesmo in vivo (como parte do cérebro de animais).

Acorde em um biorreator

Não se sabe quando chegarão os experimentos com cérebros inteiros extraídos do corpo humano - primeiro, os neurocientistas e os especialistas em ética devem concordar com as regras do jogo. No entanto, em laboratórios em placas de Petri e biorreatores, o surgimento de culturas tridimensionais de cérebros humanos já está crescendo “minicérebros” que imitam a estrutura do “grande” cérebro humano ou de suas partes específicas.

No processo de desenvolvimento do embrião, seus órgãos são formados até certos estágios de acordo com algum programa inerente aos genes de acordo com o princípio da auto-organização. O sistema nervoso não é exceção. Os pesquisadores descobriram que se a diferenciação em células do tecido nervoso for induzida em cultura de células-tronco com a ajuda de certas substâncias, isso leva a rearranjos espontâneos na cultura de células, semelhantes aos que ocorrem durante a morfogênese do tubo neural embrionário.

As células-tronco induzidas dessa forma "por padrão" se diferenciam em última análise em neurônios do córtex cerebral; no entanto, ao adicionar moléculas de sinalização de fora a uma placa de Petri, por exemplo, células do mesencéfalo, corpo estriado ou medula espinhal podem ser obtidas. Descobriu-se que um mecanismo intrínseco de corticogênese a partir de células-tronco embrionárias pode ser cultivado em um prato, um córtex real, assim como no cérebro, consistindo de várias camadas de neurônios e contendo astrócitos auxiliares.

É claro que as culturas bidimensionais representam um modelo altamente simplificado. O princípio de auto-organização do tecido nervoso ajudou os cientistas a passar rapidamente para estruturas tridimensionais chamadas esferóides e organelas cerebrais. O processo de organização do tecido pode ser influenciado por mudanças nas condições iniciais, como densidade inicial da cultura e heterogeneidade celular, e por fatores exógenos. Modulando a atividade de certas cascatas de sinalização, é ainda possível atingir a formação de estruturas avançadas no organoide, como o copo óptico com o epitélio retinal, que reage à luz à diversidade celular e à dinâmica da rede em organóides cerebrais humanos fotossensíveis.

O uso de um vaso especial e o tratamento com fatores de crescimento permitiram aos cientistas obter propositalmente a modelagem do desenvolvimento cortical humano in vitro usando células-tronco pluripotentes induzidas - um organoide cerebral humano correspondente ao prosencéfalo (hemisférios) com um córtex, cujo desenvolvimento, a julgar por a expressão de genes e marcadores, correspondia ao primeiro trimestre do desenvolvimento fetal …

E cientistas de Stanford, liderados por Sergiu Pasca, desenvolveram neurônios corticais funcionais e astrócitos a partir de células-tronco pluripotentes humanas em cultura 3D, uma forma de fazer crescer aglomerados que imitam o prosencéfalo diretamente em uma placa de Petri. O tamanho desses "cérebros" é de cerca de 4 milímetros, mas após 9 a 10 meses de maturação, os neurônios corticais e os astrócitos nessa estrutura correspondem ao nível de desenvolvimento pós-natal, ou seja, o nível de desenvolvimento do bebê imediatamente após o nascimento.

É importante ressaltar que as células-tronco para o cultivo de tais estruturas podem ser retiradas de pessoas específicas, por exemplo, de pacientes com doenças geneticamente determinadas do sistema nervoso. E os avanços na engenharia genética sugerem que em breve os cientistas poderão observar in vitro o desenvolvimento do cérebro de um Neandertal ou Denisovano.

Em 2013, pesquisadores do Instituto de Biotecnologia Molecular da Academia Austríaca de Ciências publicaram um artigo Organóides cerebrais modelam o desenvolvimento do cérebro humano e microcefalia, descrevendo o cultivo de um "cérebro em miniatura" a partir de dois tipos de células-tronco em um biorreator, que imita o estrutura de todo o cérebro humano.

Diferentes zonas do organoide correspondiam a diferentes partes do cérebro: posterior, médio e anterior, e o “prosencéfalo” ainda apresentava diferenciação adicional em lobos (“hemisférios”). É importante ressaltar que neste mini-cérebro, que também não ultrapassava alguns milímetros de tamanho, os cientistas observaram sinais de atividade, em particular flutuações na concentração de cálcio dentro dos neurônios, que servem como um indicador de sua excitação (você pode ler em detalhes sobre esta experiência aqui).

O objetivo dos cientistas não era apenas reproduzir a evolução do cérebro in vitro, mas também estudar os processos moleculares que levam à microcefalia - uma anormalidade de desenvolvimento que ocorre, em particular, quando um embrião é infectado pelo vírus Zika. Para isso, os autores do trabalho desenvolveram o mesmo mini-cérebro a partir das células do paciente.

Apesar dos resultados impressionantes, os cientistas estavam convencidos de que tais organelas eram incapazes de realizar qualquer coisa. Primeiro, o cérebro real contém cerca de 80 bilhões de neurônios, e o organoide desenvolvido contém várias ordens de magnitude a menos. Assim, um mini-cérebro simplesmente não é fisicamente capaz de desempenhar totalmente as funções de um cérebro real.

Em segundo lugar, devido às peculiaridades do desenvolvimento "in vitro", algumas de suas estruturas localizavam-se de forma bastante caótica e formavam conexões incorretas e não fisiológicas umas com as outras. Se o mini-cérebro pensou alguma coisa, foi claramente algo incomum para nós.

Para resolver o problema da interação dos departamentos, os neurocientistas propuseram modelar o cérebro em um novo nível, que é chamado de "assemblóides". Para sua formação, as organelas são primeiro cultivadas separadamente, correspondendo a partes individuais do cérebro, e depois são fundidas.

Os cientistas dessa abordagem usaram a montagem de esferóides do prosencéfalo humano funcionalmente integrados para estudar como os chamados interneurônios, que aparecem após a formação da maior parte dos neurônios por migração do prosencéfalo adjacente, são incorporados ao córtex. Os montloides obtidos de dois tipos de tecido nervoso tornaram possível estudar distúrbios na migração de interneurônios em pacientes com epilepsia e autismo.

Acorde no corpo de outra pessoa

Mesmo com todas as melhorias, as capacidades do cérebro em um tubo são severamente restringidas por três condições fundamentais. Em primeiro lugar, eles não têm um sistema vascular que lhes permita fornecer oxigênio e nutrientes às suas estruturas internas. Por esse motivo, o tamanho dos minicérebros é limitado pela capacidade das moléculas de se difundir através do tecido. Em segundo lugar, não possuem sistema imunológico, representado pelas células microgliais: normalmente essas células migram de fora para o sistema nervoso central. Terceiro, uma estrutura crescendo em solução não possui um microambiente específico fornecido pelo corpo, o que limita o número de moléculas sinalizadoras que a alcançam. A solução para esses problemas poderia ser a criação de animais modelo com cérebros quiméricos.

O trabalho recente Um modelo in vivo de organoides cerebrais humanos funcionais e vascularizados por cientistas americanos do Instituto Salk sob a direção de Fred Gage descreve a integração de uma organela cerebral humana (ou seja, um mini-cérebro) no cérebro de um camundongo. Para fazer isso, os cientistas primeiro inseriram o gene de uma proteína fluorescente verde no DNA das células-tronco para que o destino do tecido nervoso em desenvolvimento pudesse ser observado por meio de microscopia. Os organóides foram cultivados a partir dessas células por 40 dias, que foram então implantados em uma cavidade no córtex retroesplenal de um camundongo imunodeficiente. Três meses depois, em 80 por cento dos animais, o implante criou raízes.

Os cérebros quiméricos dos camundongos foram analisados por oito meses. Descobriu-se que o organoide, que poderia ser facilmente distinguido pela luminescência de uma proteína fluorescente, se integrou com sucesso, formou uma rede vascular ramificada, desenvolveu axônios e formou sinapses com os processos nervosos do cérebro hospedeiro. Além disso, as células da microglia mudaram do hospedeiro para o implante. Finalmente, os pesquisadores confirmaram a atividade funcional dos neurônios - eles mostraram atividade elétrica e flutuações no cálcio. Assim, o "mini-cérebro" humano entrou totalmente na composição do cérebro do camundongo.

Surpreendentemente, a integração de um pedaço de tecido nervoso humano não afetou o comportamento dos ratos experimentais. Em um teste de aprendizagem espacial, camundongos com cérebros quiméricos tiveram o mesmo desempenho de camundongos normais, e até tiveram pior memória - os pesquisadores explicaram isso pelo fato de que para a implantação eles fizeram um buraco no córtex cerebral.

No entanto, o objetivo deste trabalho não foi obter um camundongo inteligente com consciência humana, mas criar um modelo in vivo de organelas cerebrais humanas equipadas com uma rede vascular e microambiente para diversos fins biomédicos.

Um experimento de um tipo completamente diferente foi encenado por enxerto de cérebro anterior por células progenitoras gliais humanas que aumenta a plasticidade sináptica e o aprendizado em camundongos adultos por cientistas do Centro de Neuromedicina Translacional da Universidade de Rochester em 2013. Como mencionado anteriormente, as células cerebrais acessórias humanas (astrócitos) são muito diferentes das de outros animais, em particular de camundongos. Por esse motivo, os pesquisadores sugerem que os astrócitos desempenham um papel importante no desenvolvimento e manutenção das funções cerebrais humanas. Para testar como um cérebro de camundongo quimérico se desenvolveria com astrócitos humanos, os cientistas plantaram precursores de células auxiliares no cérebro de embriões de camundongo.

Descobriu-se que, em um cérebro quimérico, os astrócitos humanos funcionam três vezes mais rápido do que os ratos. Além disso, camundongos com cérebros quiméricos revelaram-se significativamente mais inteligentes do que o normal em muitos aspectos. Eles eram mais rápidos para pensar, aprender melhor e navegar pelo labirinto. Provavelmente, camundongos quiméricos não pensavam como pessoas, mas, talvez, eles pudessem se sentir em um estágio diferente de evolução.

No entanto, os roedores estão longe de ser modelos ideais para estudar o cérebro humano. O fato é que o tecido nervoso humano amadurece de acordo com algum relógio molecular interno e sua transferência para outro organismo não acelera esse processo. Considerando que os ratos vivem apenas dois anos, e a formação completa de um cérebro humano leva algumas décadas, quaisquer processos de longo prazo no formato de um cérebro quimérico não podem ser estudados. Talvez o futuro da neurociência ainda pertença aos cérebros humanos em aquários - para descobrir como isso é ético, os cientistas precisam apenas aprender a ler mentes, e a tecnologia moderna parece ser capaz de fazer isso em breve.