Organoidy mózgowe: czy na pewno nie myślą i nie czują

Pager ma dziewięć lat i jest naprawdę niezłym graczem. Świetnie sobie radzi z Pongiem, czyli komputerową dwuwymiarową wersją ping-ponga, i jej trudniejszymi wariantami. Za każdym razem, gdy prawidłowo pokieruje piłką, otrzymuje nagrodę – mus bananowy. Sprawia mu dużą satysfakcję – wszak jest makakiem. Jak jednak udaje się Pagerowi kierować kursorem, skoro nie dysponuje joystickiem i żadne kable nie łączą jego ciała z komputerem? On po prostu patrzy na ekran i podejmuje decyzje.

Doświadczenie przeprowadzone przez Neuralink Corporation, przedsiębiorstwo Elona Muska, dość łatwo objaśnić. W mózgu makaka umieszczono miniaturowy interfejs mózgowy, który za pomocą ponad 2 tys. elektrod sczytywał aktywność komórek nerwowych kory motorycznej aktywujących się, gdy zwierzę kierowało zwykłym joystickiem. Dane te były zapisywane i analizowane przez program komputerowy. Po odpowiedniej liczbie prób komputer był już w stanie „przewidzieć”, jaki ruch ręką chciałby w danym momencie wykonać Pager, który realnie nie kierował już joystickiem.

Badacze z Neuralink Corporation podają, że na ich rozwiązaniach skorzystają przede wszystkim osoby sparaliżowane i z inną niepełnosprawnością. Gdyby udało się bezpośrednio przekładać ich intencje ruchu na faktyczną pracę (protezy, urządzenia, oprogramowania), ich życie nabrałoby lepszej jakości.

Doświadczenia takie jak gra, w którą zaangażowano Pagera, wiążą się z dylematami etycznymi. Mózg to bardzo specyficzny organ, który chronią liczne bariery utrudniające – a wręcz niekiedy uniemożliwiające – jego precyzyjne badanie (przede wszystkim kości czaszki, które sprawiają, że nie można np. zrobić usg mózgu) czy leczenie (bariera krew–mózg, która przepuszcza z krwiobiegu tylko nieliczne związki). Także dlatego żadna z dotychczasowych metod studiowania mózgu – sekcje martwej tkanki, analiza modeli zwierzęcych czy diagnostyka obrazowa – nie dają pełnej o nim wiedzy. Uczeni od wielu lat marzą o tym, by móc pracować z prawdziwą, żywą tkanką mózgową, która reaguje na wyzwania w czasie rzeczywistym, ale została pozyskana w etyczny sposób. Tak powstał pomysł, by stworzyć tzw. organoidy mózgowe.

Jak minimózg wyrósł w laboratorium

Organoid to skupisko żywych, funkcjonujących komórek właściwych dla danej tkanki i organizujących się tak jak ona. Na przykład te gastryczne mają budowę oraz funkcje charakterystyczne dla żołądka: wytwarzają te same substancje, podobnie reagują na leki itp. Organoidy można zatem przyrównać do miniaturowych narządów, tyle że hodowanych od samego początku in vitro.

Do stworzenia organoidu potrzebne są jedynie komórki macierzyste, czyli takie, które potrafią różnicować się w dowolny typ komórki, a docelowo – w dowolny typ tkanki. Na etapie życia prenatalnego każdy organizm dysponuje tymi wielozadaniowymi „cegiełkami” i z nich właśnie wytwarza wszystkie elementy swojego ustroju. Z upływem czasu ich liczba w ludzkim organizmie znacząco spada. Obecnie jednak naukowcy potrafią „przekonać” inne, zróżnicowane już komórki, by znowu stały się pluripotentne.

Do 2013 r. organoidy mózgowe pozostawały w sferze naukowych marzeń. Brakowało wiedzy na temat dokładnego składu mikstury chemicznej, która przez komórkę macierzystą zostanie odczytana jako instrukcja: „różnicuj się w mózg”. Stworzenie przestrzennej tkanki było też trudniejsze niż uzyskanie dwuwymiarowego preparatu neuronów na szalce. Nie było też wiadomo, jak odpowiednio odżywić organoid, by komórki znajdujące się w jego środku nie umierały, jak stworzyć dla organicznych warstw odpowiednie rusztowanie, by układały się względem siebie w odpowiednich konfiguracjach, jak pobudzać rozrastanie się obszernej sieci połączeń.

Większość odpowiedzi na powyższe pytania przyszła dziewięć lat temu, wraz z publikacją w „Nature”, której pierwszą autorką była Madeline A. Lancaster – biolożka molekularna, pracująca obecnie w Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology w brytyjskim Cambridge. Jej zespół nie tylko opisał wyhodowane przez siebie organoidy mózgowe, ale stworzył też protokoły instruujące, jak krok po kroku uzyskać taką strukturę, zaczynając od „cegiełek” pozyskanych ze skóry. Odkrył m.in., jakie dokładnie substancje powinny być podawane komórkom, by te nie tylko zaczęły zmieniać się w tkankę nerwową, lecz także zidentyfikowały się z nią.

Nie oznacza to, że organoidy wyglądają i działają jak małe mózgi, z takim samym funkcjonalnym podziałem na obszary, z analogiczną komunikacją i zdolnością do przetwarzania bodźców. Chodzi raczej o to, że składają się z różnych typów komórek: np. przewodzących bodźce oraz komórek gleju, czyli tkanki ochraniającej i „opiekującej się” neuronami. Są również zdolne do wytwarzania niektórych struktur mózgu, takich jak komory z płynem mózgowo-rdzeniowym.

Powstałe dzięki Lancaster minimózgi od razu znalazły mnóstwo zastosowań. Rozwijają się podobnie jak mózg na etapie prenatalnym. Możliwe jest więc analizowanie procesów, które prowadzą do wykształcenia mózgowia, ale też stojących za nieprawidłowościami takimi jak mikrocefalia. Dały też szansę na znacznie lepsze testowania np. leków na choroby neurodegeneracyjne (m.in. Alzheimera i Huntingtona).

Jak kalkulator może myśleć

Tylko skoro to właśnie mózg odpowiada za percepcję siebie samego i świata, to czy organoidy mózgowe mogą w jakimś stopniu myśleć, czuć, rozumieć? Do niedawna odpowiedź na wszystkie te pytania brzmiała: z całą pewnością nie.

Po pierwsze – argumentowano – nie organizują się tak jak mózg (nie mają kory wzrokowej, słuchowej, hipokampa czy układu limbicznego). Po drugie, ze względu na ograniczenia w dostarczaniu składników odżywczych mogły być tylko bardzo niewielkie. Nie przekraczały jednego centymetra, a liczba neuronów wynosiła ok. 100 tys. (w prawdziwym ludzkim mózgu jest ich ok. 86 mld). Pytania o percepcję organoidu przypominały rozważania, czy kalkulator woli dodawać, odejmować czy może potęgować.

Rozważania etyczne na temat organoidów wydawały się jałowe także dlatego, że mózg nieustannie modyfikuje swoją pracę, zmienia się, kształtuje, działa – reagując na bodźce zewnętrzne. Organoidy nie posiadały kanałów wejścia, więc były trochę jak kalkulator bez klawiatury. Jednak ten stan rzeczy niedawno uległ zmianie.

Ulepszenia protokołu Lancaster sprawiły, że w wielu laboratoriach uzyskuje się organoidy składające się nawet z miliona neuronów. Ale stało się jeszcze coś ważnego. Niektóre ośrodki, takie jak australijski Cortical Labs, pokusiły się o dostarczenie hodowlom komórkowym modułów wejścia i wyjścia. Pracownicy tego biotechnologicznego start-upu wykorzystują szalki, których dno zbudowane jest ze specjalnego układu scalonego. Odbierają one sygnały wysyłane przez neurony, ale także przekazują im informacje podsuwane przez autorów doświadczenia. Na przykład dotyczące środowiska gry w Pong.

Jeden z obszarów układu scalonego wysyła neuronom sygnały elektryczne odpowiadające konkretnemu położeniu „piłki”. Dwa pozostałe odbierają od komórek nerwowych sygnały i przekładają je na położenie „paletki”. Dodatkowo członkowie zespołu Cortical Labs przekładają tę aktywność na obraz, dzięki czemu naukowcy mogą obserwować, co się dzieje w świecie gry: w jaki sposób neurony działają, jak się uczą, jak odpowiadają na bodźce itp.

Sama nauka odbijania piłki odbywa się na zasadzie prostego warunkowania: kiedy organoid zaliczy udany „serwis”, w odpowiedzi otrzymuje ciąg równych sygnałów elektrycznych. Gdy zaś piłce uda się umknąć, sygnał elektryczny wysyłany do neuronów ulega gwałtownemu odchyleniu, co przez komórki nerwowe odbierane jest jako stan niepożądany. Neurony dążą bowiem do redukowania stanów nieprzewidywalności (zgodnie z tzw. regułą wolnej energii Fristona). Starają się unikać ryzyka.

Tak stworzone środowisko gry jest oczywiście bardzo proste. Jednak dzięki niemu członkowie Cortical Labs przekroczyli pewną granicę. Nie tylko dali neuronom cel (odbijać piłkę), ale sprawili też, że podejmują one wspólnie decyzje (w którą stronę ruszyć paletką). To nie wszystko. Wykreowali świat, który dla neuronów hodowanych w szalce jest jedyną znaną rzeczywistością.

Organoid nie posiada kanałów komunikacji ze światem zewnętrznym: nie może go słyszeć, widzieć, czuć. Otrzymuje jedynie informacje dotyczące gry. To oznacza, że – choć fizycznie znajduje się w laboratorium – nie ma pojęcia o warunkach, jakie w nim panują. Oczywiście na obecnym etapie organoidy nie są w stanie wykształcić nawet bardzo podstawowej świadomości, a zatem nie wiedzą, w jakim położeniu się znajdują, ani nawet tego, że istnieją. Tym bardziej nie rozumieją swojej sytuacji. Czy jednak myślą i czują?

Odpowiedź na to pytanie nie jest już taka oczywista i zależy od skali, jaką przyjmie się dla pojęć myślenia oraz czucia. Rozumowanie organoidów nie jest świadome (nie wiedzą, że myślą), jednak podejmują one bardzo podstawowe decyzje dotyczące swojego „życia”. Trudno dopatrywać się u nich złożonego samopoczucia, ale skoro rozróżniają stany przez siebie pożądane i niepożądane, to znaczy, że mogą odczuwać dyskomfort, gdy podjęte przez nie działanie nie przyniosło pozytywnego rezultatu.

Jak łyżka jednak nie istnieje

Organoidom mózgowym nadal bardzo daleko do w pełni funkcjonalnego mózgu. Ale właśnie dlatego jest to najlepszy moment na podjęcie dyskusji etycznych. W przeciwnym razie neuronauki szybko spotkają się z czarnym PR. Byłaby to jedna z największych porażek w historii medycyny, ponieważ schorzenia neurodegeneracyjne czy mózgowe wady rozwojowe to jedne z największych wyzwań dla nauk medycznych. Na dobrze zaplanowanych i przeprowadzonych badaniach mogłoby skorzystać niewyobrażalnie wielu pacjentów: wcześniaki, osoby z porażeniem mózgowym, z chorobami genetycznymi układu nerwowego, z powypadkowymi urazami mózgu, udarami, autyzmem, schizofrenią, nerwowymi postaciami chorób infekcyjnych. I wielu, wielu innych.

Każda z tych osób, przyjmując leki, będzie czerpać korzyści z badań prowadzonych na hodowlach komórkowych i zwierzętach. Czy wykorzystywanie makaka do testowania rozwiązań dla osób z niepełnosprawnością będzie etyczne? Jeśli nie, to czy lepiej będzie posługiwać się „mózgami” oddzielonymi od ciała?

Tyle że makak doskonale zdaje sobie sprawę z tego, że Pong to nie rzeczywistość. Po zakończeniu rozgrywki wróci na swoją huśtawkę i wejdzie w interakcje z innymi członkami stada. A organoid pozostanie w środowisku gry, w swoim małym matrixie. Tuż obok dziesiątek innych organoidów, o istnieniu których nie będzie miał pojęcia.