Organoidy mózgowe to trójwymiarowe, laboratoryjnie hodowane modele zaprojektowane tak, aby naśladować ludzki mózg. Naukowcy zazwyczaj hodują je z komórek macierzystych, nakłaniając je do tworzenia struktury przypominającej mózg. W ciągu ostatniej dekady stały się one coraz bardziej wyrafinowane i teraz mogą replikować wiele typów komórek mózgowychktóry może komunikować się ze sobą.
Spowodowało to, że niektórzy naukowcy zaczęli się zastanawiać, czy organoidy mózgowe kiedykolwiek będą w stanie to osiągnąć świadomość. Kennetha Kosikaneurobiolog z University of California w Santa Barbara, niedawno zbadał tę możliwość w artykuł perspektywiczny. Live Science rozmawiało z Kosikiem o tym, jak powstają organoidy mózgowe, jak bardzo są podobne do mózgów ludzkich i dlaczego uważa, że świadomość organoidów mózgowych nie jest prawdopodobna w najbliższym czasie.
Powiązany: W pierwszym przypadku „minimózgi” wyhodowano z tkanki mózgowej płodu
EC: Czym są organoidy mózgowe i w jaki sposób naukowcy je tworzą?
Kenneth Kosik: Organoid mózgu powstaje z komórek macierzystych. Możesz wziąć dowolną osobę i przekształcić jej, powiedzmy, fibroblasty skóry w komórki macierzyste, a następnie różnicować je w neurony. Na tym polega istota komórek macierzystych — komórki macierzyste są nazywane „pluripotencjalnymi”, ponieważ mogą tworzyć dowolne komórki w ciele.
Zanim pojawiła się technologia organoidowa, spędziliśmy sporo czasu na pobieraniu ludzkich pluripotentnych komórek macierzystych i indukowaniu ich w dwuwymiarowej macierzy, aby przyjrzeć się różnicowaniu neuronalnemu.
To prowadzi nas do połowy. Ale prowadzi nas tylko do dwóch wymiarów. A potem wielka wizja, która przyszła z Yoshikiego Sasaia w Japonii i Madeline Lancasterpolegało na pobraniu neuronów, które zaczynały się różnicować — komórek będących na stosunkowo wczesnym etapie rozwoju — i umieszczeniu ich w kropli tak zwanego Matrigelu — żelu, który w zależności od temperatury może być cieczą lub ciałem stałym.
Więc komórki są w tej kropli, a potem dzieje się magia. Zamiast rosnąć w dwóch wymiarach, zaczynają rosnąć w trzech wymiarach. To mnie absolutnie fascynuje, że kiedy biologia zaczyna eksplorować trzeci wymiar, wyłania się bardzo nowa biologia. Oczywiście, w dwóch wymiarach te neurony, które rosły, mogły osiągnąć bardzo szeroką różnorodność typów komórek, ale nie osiągnęły żadnej interesującej anatomii.
Gdy rosną w trzech wymiarach, zaczynają tworzyć relacje między sobą, rodzaje struktur i anatomii, które mają bardzo luźne podobieństwo do mózgu. I naprawdę podkreślam słowo „luźne”, ponieważ są ludzie, którzy używają błędnego określenia na organoidy mózgowe i nazywają je „minimózgami”. To wcale nie są mózgi. To są organoidy — co oznacza, że są jak mózg.
Pytanie, którym jesteśmy żywo zainteresowani, a interesuje się nim wiele laboratoriów, brzmi, czy organoidy są podobne do mózgu, w jakim stopniu przypominają mózg, a w jakim się od niego różnią? A różnią się od mózgu bardzo, więc trzeba być bardzo ostrożnym w interpretacjach organoidów. Nie każdy uważa, że organoidy będą pouczające dla neuronauki, ponieważ to, co znajdujemy w organoidzie, może być nadinterpretacją. Ale z drugiej strony, [it] tworzy trójwymiarową strukturę, która ma pewien stopień laminacji [formation of layers of cells within tissue]ma rozety, w których, patrząc od środka rozety, można stopniowo obserwować, jak komórki stają się coraz dojrzalsze w miarę postępu rozwoju, co jest bardzo podobne do tego, co dzieje się w mózgu.
Powiązany: Wyhodowane w laboratorium „minimózgi” mogą właśnie potwierdzić wiodącą teorię na temat autyzmu
EC: Czy istnieją już jakieś organoidy mózgowe, które dokładnie odzwierciedlają cały mózg?
KK: Nie ma organoidu, który obejmowałby cały mózg. Istnieją podejścia, które próbują objąć więcej mózgu niż, powiedzmy, tylko tę jedną część, nad którą być może pracujemy my i inne laboratoria. Nazywa się je „assembloidami”. [Scientists] pobrać komórki macierzyste i zróżnicować je w taki sposób, aby uzyskać nieco więcej komórek brzusznych [front part of the] mózg, albo trochę bardziej grzbietowy [back part of the] mózgu, a następnie łączą je ze sobą, łączą, dzięki czemu powstaje bardziej wszechstronna fuzja — szerszy obraz, powiedziałbym, anatomii mózgu.
Istnieją inne sposoby tworzenia organoidów, które są nieco bardziej nieselektywne. Nie kierują komórek macierzystych w stronę grzbietową i brzuszną, tylko łączą je wszystkie razem. To jest wiele z tego, co robimy. To były techniki, które zostały zapoczątkowane przez Lancastera. I w tym przypadku, moim zdaniem, gdy robisz to w ten sposób, otrzymujesz szerszą reprezentację typów komórek. To jest to, co zyskujesz, ale poświęcasz dokładność anatomiczną, ponieważ gdy tworzysz assembloid, anatomia nie jest świetna. Ale gdy robisz to bez różnicowania w stronę grzbietowej i brzusznej i łączysz wszystko razem, anatomia staje się jeszcze bardziej problematyczna.
EC: Jak wspomniałeś, te organoidy są podobne do ludzkich mózgów, ale istnieją pewne kluczowe różnice fizjologiczne. Czy możesz je wyjaśnić?
KK: Więc od razu widać podobieństwo – widać dużo skoków.
(Uwaga redaktora: Kosik nawiązuje do faktu, że podłączenie organoidu do elektrod powoduje wyzwolenie impulsów elektrycznych, czyli sygnałów przesyłanych między neuronami).
To naprawdę niezwykłe, a kryje się za tym pojęcie, które prawdopodobnie intryguje mnie najbardziej, że cała ta aktywność jest spontaniczna: po prostu powstaje na podstawie gromadzenia się neuronów.
A teraz możemy przyjrzeć się relacjom tych impulsów. Kiedy to zrobisz, możesz zadać pytanie, cóż, jeśli widzę, że neuron A się aktywuje, jakie jest prawdopodobieństwo, że zobaczę, że neuron B się aktywuje? Przyjrzę się relacjom binarnym między nimi wszystkimi i zrobię to z filtrem, że kiedy neuron A się aktywuje, będę obserwował tylko, kiedy inny neuron aktywuje się w ciągu 5 milisekund. Dlaczego 5 milisekund? Ponieważ mniej więcej tyle czasu zajmuje transmisja przez synapsę.Uwaga redaktora: Synapsa to przerwa między dwoma neuronami.)
A kiedy to robimy, widać, że tworzą sieć. Łączysz A i B, a potem łączysz C i D, a potem A i C. Widać, że neurony komunikują się ze sobą i to powstaje spontanicznie.
To jest jeden z przykładów sposobu, w jaki organoid zachowuje się w sposób, który spontanicznie przypomina to, co dzieje się w mózgu.
Z mojego punktu widzenia organoid jest pojazdem, który ma zdolność kodowania doświadczeń i informacji, jeśli te doświadczenia są dla niego dostępne — ale tak nie jest. Nie ma oczu, uszu, nosa ani ust — nic nie przychodzi. Ale wgląd tutaj jest taki, że organoid może ustanowić spontaniczną organizację swoich neuronów, tak aby miał zdolność kodowania informacji, kiedy i jeśli stanie się ona dostępna. To tylko hipoteza.
EC: Czy sądzisz, że organoidy mózgowe kiedykolwiek osiągną świadomość?
KK: Więc tutaj sprawy stają się nieco tajemnicze. Myślę, że tego typu pytania opierają się na tym pojęciu, które ludzie mają wiele problemów ze zdefiniowaniem: świadomość.
[Based on currently fashionable theories of consciousness] Powiedziałbym: „Nie, to nawet nie zbliża się do tego”.
Powiązany: Miniaturowy model ludzkiego mózgu i rdzenia kręgowego embrionalnego wyhodowany w laboratorium
KE: Mówiłeś o tym, że organoidy wykazały pewną zdolność do kodowania informacji, ale nie mają doświadczenia, aby to zrobić. Co by się stało, gdyby hipotetycznie ludzki organoid mózgowy został przeszczepiony zwierzęciu? Czy mógłby wtedy osiągnąć świadomość?
KK: Rozłóżmy to na czynniki pierwsze. Zanim zostanie przeszczepione zwierzęciu, niektórzy powiedzieliby, że zwierzę ma już świadomość, a niektórzy powiedzieliby, że [it does] nie. Więc od razu wpadamy w tę trudność, gdzie w królestwie zwierząt zaczyna się świadomość? Więc przeformułujmy pytanie. Jeśli weźmiesz zwierzę, które może mieć lub nie mieć pewnego stopnia świadomości, i przeszczepisz je do ludzkiego organoidu, czy nadasz temu zwierzęciu świadomość, czy wzmocnisz świadomość, czy nawet uzyskasz coś, co przypomina ludzką świadomość u zwierzęcia? Nie znam odpowiedzi na żadne z tych pytań.
Możemy teraz tworzyć te hybrydy — więc to dobre pytanie. Ale ocena świadomości teraz, ze względu na wszystkie problemy dotyczące tego, czym jest świadomość, nadal będzie kwestią otwartą.
EC: Czy mamy pojęcie o przybliżonych ramach czasowych — czy świadomość jest czymś, co może się wydarzyć w niedalekiej przyszłości, powiedzmy po upływie pewnej liczby lat, czy też jest to wciąż bardzo niepewne w tym momencie?
KK: Technologia rozwija się bardzo szybko. Jednym z miejsc, w którym możemy zacząć przesuwać granice, jest tzw. cyborgilub interfejsy organoidowe. To byłby jeden kierunek, który mógłby być interesujący. Może trochę w stronę świadomości, ale jeszcze bardziej w stronę rozwijania implementacji ludzkich zdolności w jednym z tych syntetycznych systemów.
EC: Czy potrafisz wskazać jakieś oczywiste korzyści i wady wynikające z tego, że organoidy są w stanie osiągnąć świadomość?
KK: Wiemy tak mało o schorzeniach neuropsychiatrycznych. Leki neuropsychiatryczne są opracowywane bez zrozumienia jakiejkolwiek głębokiej fizjologii. Myślę, że wszystko to można zrobić za pomocą organoidów. Myślę, że jako modele chorób, mogłyby być bardzo, bardzo przydatne [for them to achieve consciousness].
Moim marzeniem jest rozwijanie ich jako systemów obliczeniowych, ponieważ obecnie, aby wykonać bardzo kosztowne obliczenia, które są wymagane dla ChatGPT i wielu z tych dużych modeli językowych, ich opracowanie wymaga setek milionów dolarów. Wymagają farmy serwerów, aby utrzymać je w ruchu. Naprawdę po prostu kończy nam się moc obliczeniowa komputera. A jednak mózg wykonuje wiele z tych rzeczy przy 20 watach. Dlatego dla mnie dużym zainteresowaniem jest: „Czy organoidy, jeśli nie rozwiążą, przyczynią się do ogromnych wymagań, jakie stawiamy systemowi energetycznemu, wykorzystując wysoce wydajny sposób, w jaki mózg, a prawdopodobnie i organoid, mogą obsługiwać informacje?”
Uwaga redaktora: Wywiad został zredagowany i skrócony.
