Как и зачем ученые выращивают искусственные мозги?

Мадлен Ланкастер сложила руки на животе, она беременна. «Им сейчас шесть-семь месяцев». На данный момент ее потомство около четырех миллиметров в диаметре. Их несколько сотен, и у каждого уже есть около двух миллионов нейронов. К счастью, она говорит не о гигантском выводке еще не рожденных детей — хотя и ожидает одного, совершенно нормального, как и любой человек. Нет, ученый говорит о партии растущих человеческих мозгов. Далее — от первого лица корреспондента BBC.

Мы находимся в новой лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже — расползающемся лабиринте стеклянных лабораторий, оборудования космической эпохи и коридоров, которые, кажется, растянулись на километры. В ней нет ничего секретного, она находится не под землей. Этот объект стоимостью 212 миллионов фунтов стерлингов представляет собой дом для нескольких футуристических проектов, каждый из которых достоин собственного голливудского фильма.

В своем собственном небольшом уголке этой исследовательской утопии команда Мадлен работает над такой абсурдной задачей, что она кажется более волшебством, нежели наукой: превращает человеческую кожу в мозги.

«Мозги развиваются точно так же, как вы могли бы увидеть в эмбрионе», говорит Мадлен. В ее словах есть доля истины, только вот среда у них разная. Вместо утробы бестелесные мозги выращиваются в гигантских инкубаторах. В отсутствие кровоснабжения их кормят богатой питательными веществами жидкостью, которая обновляется каждые несколько дней. И, конечно же, у них нет иммунной системы: все, что вступает с ними в контакт, сначала дезинфицируется спиртом.

Когда она открывает дверь инкубатора — что ж, должен признать, выглядят они не так впечатляюще, как я себе представлял: бесцветные водянистые пятна, плавающие в бассейне бледно-розовой жидкости. Они больше похожи на кусочки мокрого попкорна, чем на источник интеллектуальных способностей.

Но внешность обманчива. На самом деле эти «мозговые органоиды», как их назвали, поразительно похожи на мозги обычных людей. Как и любой обычный мозг, органоиды делятся на серое вещество — состоящее из нейронов — и белое вещество, жировую ткань, состоящую из их веретенообразных «хвостиков».

Как и обычные мозги, каждый органоид состоит из определенных зон. Есть морщинистая кора (в которой рождается язык и сознательное мышление), гиппокамп (центр эмоций и памяти), координирующий мышцы мозжечок и многое, многое другое. В целом он эквивалентен мозгу девятинедельного эмбриона.

Как же их делают?

На самом деле, сделать мозг не так сложно, как кажется на первый взгляд. Несколько простых ингредиентов, неугасимый энтузиазм к вымачиванию вещей в спирте, и вы тоже могли бы заполучить себе миниатюрный мозг через несколько месяцев.

Во-первых, вам нужны будут клетки. Группа Ланкастер взяла свои образцы из донорской кожи, но на самом деле, и это немного обескураживает, чтобы создать этот шедевр человеческой эволюции, можно взять любой тип клеток — будь то нос, печень или ноготь.

Только стволовые клетки могут развиваться в любые ткани организма, поэтому следующим шагом вам потребуется превратить в них ваши клетки. Для этого группа ученых использовала своего рода сыворотку молодых клеток, белковый коктейль, который может перезапустить ходики и вернуть любую клетку в эмбриональное состояние.

Примерно через неделю роста вы обнаружите у себя досочку с клетками, которые можно будет соскрести в чашку Петри и скатать в шарик.

Ланкастер вынимает пустое блюдце из розовой жидкости. «Смотрите, сейчас они крошечные», говорит она. Очевидно, в каждой лунке есть белая точка размером с, кхм, точку. Вроде той, что стояла в конце предыдущего предложения. «Они как бы пытаются стать эмбрионом», говорит она.

В конце концов каждая стволовая клетка начнет специализироваться, превращая равномерные шары в нагромождение различных типов клеток. Среди них будут клетки мозга.

Вообще, ученые — как заботливые родители, подкармливают свои эмбрионы и поощряют их к росту. Но это продолжается недолго. Шарики с клетками переносятся в новое блюдо, на этот раз с очень небольшим количеством пищи. Когда клетки начинают голодать, большинство из них отмирает, оставляя только клетки мозга. «Они весьма надежны — и никто не знает почему».

Наконец, развивающийся мозг погружается в одеяло из желе. «Это не обычное желе — мы поливаем мозг жидкостью, и она затвердевает, когда инкубатор теплеет», говорит Мадлен. Желе имитирует оболочку ткани мозга, которая обычно окружена черепом, чтобы та развивалась относительно нормально.

Затем нужно ждать. Три месяца спустя готовый продукт составляет около четырех миллиметров в диаметре и содержит около двух миллионов нейронов. Полностью развитый мозг взрослой мыши содержит всего четыре миллиона нейронов, так что этого вполне достаточно.

В мозге постоянно гудит электрическая активность — нейроны обмениваются сигналами. Ланкастер говорит, что в этом нет ничего особенного, однако это подтверждает, что ученые делают функциональные нейроны, которые ведут себя подобно нейронам.

Она сравнивает это с клетками сердца, которые ученые смогли заставить биться в чашке Петри в 2013 году; только если клетки сердца запрограммированы «хотеть» качать, нейроны «хотят» зажигаться. «Даже если у вас будет нейрон сам по себе в чашке, без других нейронов, он будет так сильно хотеть действовать, что начнет подключаться сам к себе», говорит она.

В настоящее время мозги Ланкастер не могут думать. Никто не понимает, как активность нашего мозга приводит к появлению мыслей — и удивительно трудно вообще вывести какую-нибудь дефиницию мысли — но домыслы есть. Обычно, когда мы подвергаемся стимуляции внешнего мира — запахи, звуки, идеи, — наши мозги сохраняют информацию, укрепляя связи между нашими нейронами или же формируя новые. Обычный взрослый имеет около тысячи триллионов нейронов, которые вместе дают нашему мозгу вычислительную мощность в один триллион бит в секунду.

И в этом-то загвоздка. Даже имея все компоненты обычных мозгов, без тела, которое будет обеспечивать его информацией о мире вокруг, такие выращенные мозги не смогут развиваться нормально. «Нейроны работают, но они не организованы по отношению друг к другу», говорит она. Возьмем, к примеру, людей, которые рождаются слепыми. Поскольку они не видят света, та часть мозга, которая обрабатывает эти сигналы, не формируется.

Если подключить выращенные в лаборатории мозги к ЭЭГ, вы ничего не увидите. Так называемые «мозговые волны», которые могут обнаружить машины, являются результатом синхронного действия миллионов нейронов; в сочетании их электрические сигналы можно обнаружить через кожу головы.

«И это даже хорошо. У меня возникли бы проблемы, если бы я думала о том, что там формируется нормальная нейронная сеть», говорит Мадлен.

Однако создание сознательного мозга не было в планах. Вместо этого Ланкастер использует мозг, чтобы ответить на старую загадку: при всем нашем интеллектуальном превосходстве, генетическое различие между людьми и шимпанзе составляет всего 1,2%. Это в 12 раз больше, чем различия между отдельными людьми (0,1%). Почему?

Чтобы это выяснить, ученые извлекли отдельные гены, участвующие в развитии мозга, и заменили их версией шимпанзе — создав на основе этих клеток гибридные мозги шимпачеловека. На разных стадиях развития зачастую становятся очевидными роли некоторых генов; мозги с геном шимпанзе могут быть значительно меньше обычных человеческих мозгов или содержать меньше нейронов, например.

Другими словами, такие мозги позволяют исследователям проводить эксперименты, которые им никогда бы не разрешили проводить. Представьте себе, какой был бы хаос, если бы реальному человеку добавили бы генов шимпанзе.

В конечном итоге Ланкастер надеется создать противоположную версию экспериментов с выращенными в лаборатории мозгами шимпанзе. Это будет сложно, поскольку эти виды под защитой. Нельзя просто подойти к шимпанзе и взять кусочек кожи. Но ученые нашли выход. «Если у животного в зоопарке родится ребенок, его плаценту обычно просто выбрасывают, но мы можем взять эти остатки», говорит Мадлен.

В целом органоиды используются для исследования различных заболеваний людей, от аутизма до шизофрении. Исторически сложилось так, что их трудно исследовать в лаборатории, поскольку животные таких заболеваний не имеют. Взять, к примеру, аутизм. Аутичные дети с тяжелой степенью не могут говорить — как изучить это расстройство на мышах, если они вообще никогда не умели говорить?

Сравнивая мозги, выросшие из кожи здоровых взрослых и больных аутизмом, в прошлом году ученые смогли показать, что эта болезнь может быть вызвана дисбалансом двух основных типов нейронов: тех, которые инициируют сигналы (возбуждающие нейроны), и тех, которые действуют в качестве тормоза (тормозные нейроны).

«В обычном мозге существует очень тонкий баланс между этими двумя типами, так что вы можете представить, насколько большое влияние они оказывают на функции сетей», говорит Ланкастер.

Реальный прорыв не только в том, что мозги могут симулировать такие расстройства, но они также позволяют ученым возвращаться назад во времени и понимать, почему аутичные мозги так отличаются. Можно просматривать их снова и снова, на разных стадиях развития, в поисках неуловимых изменений. В реальной жизни это было бы невозможно.

Искусственные мозги уже меняют наше понимание мозга, его расстройств и что делает человека особенным. Хотя их создали только в 2013 году, на тему «мозговых органоидов» написано уже 2820 научных работ. Что же ждет нас в будущем? Несколько групп работают над улучшением мозгов, внедрением кровоснабжения, чтобы те могли расти больше; на текущий момент 4-миллиметровые мозги полностью зависят от кислорода и питательных веществ, поступающих из окружающей жидкости.

Для многих ученых конечная цель состоит в том, чтобы искусственный мозг функционировал подобно обычному — формировал сети, которые можно окрасить, нарезать и изучить подобно мозгу лабораторных мышей. Но пока что органоиды инертны, как и попкорн, на который они похожи.