Forskere dyrker miniversioner af menneskehjernen i laboratoriet. Kan de udvikle bevidsthed?

Det lyder som science fiction:

Forskere i mere end 100 forskellige laboratorier rundt omkring i verden dyrker i dag små hjerner af menneskeceller i glas, hvor de flyder rundt i en lyserød væske.

Celleklumperne er mere end blot en samling tilfældige hjerneceller. De danner strukturer, som fremkommer i løbet af fosterudviklingen.

De har forskellige hjernedele og organiserer sig i netværk. Og cellerne affyrer signaler og kommunikerer med hinanden indeni de ærtestore klumper.

Minihjerner opstod ved et rent tilfælde

Den amerikanske forsker Madeline Lancaster var den første, som ved et rent og skært tilfælde producerede en minihjerne.

Hun forsøgte at dyrke hjerneceller fra mus i en to-dimensionel form, men kunne ikke få dem til at fastgøre sig ordentligt.

Hun forsøgte sig derfor med en proteinblanding, og så begyndte cellerne at klumpe sig sammen, dele sig og danne dét, som i dag bliver kaldt hjerneorganoider eller minihjerner, skriver Financial Times, som for nylig interviewede Madeline Lancaster.

Dan hun sammen med sine kolleger publicerede den første artikel om minihjerner i 2013, vakte det naturligvis stor opsigt.

I dag er forskningsfeltet i fuldt firspring.

Kan de føle noget?

Mange er dog bekymrede for, at det vil gå helt galt.

På en stor konference for hjerneforskere i oktober var et af emnerne, om hjerneorganoiderne, som de kaldes, rent faktisk kan føle smerte – eller endda ‘blive bevidste’.

Vil det gå så vidt, at en hjerne ligger og lider i en kropsløs, mareridtsagtig tilstand?

Elan Ohayon er hjerneforsker og leder af Green Neuroscience-laboratoriet i Californien, hvor man har særligt fokus på etik.

Han har arbejdet med en datamodel, som ifølge ham kan afsløre noget om sandsynligheden for, at bevidsthed kan opstå.

Ifølge modellen er forskningen i hjerneorganoider allerede uhyggelig tæt på at overskride en etisk grænse, kan man læse i introduktionen til hans foredrag om resultaterne.

»Så længe der er bare den mindste mulighed for, at hjerneorganoiderne er sansende, så kan vi overskride denne grænse,« sagde Elan Ohayon til The Guardian før foredraget.

LÆS OGSÅ: Forskere dyrker en mini-hjerne, som kan få muskler til at bevæge sig

Minihjerner er ikke som rigtige hjerner

Mange forskere mener dog, at den nuværende forskning i hjerneorganoider er etisk forsvarlig.

Minihjerner adskiller sig nemlig gevaldigt fra rigtige hjerner.

De små klumper består af én til et par millioner hjerneceller, mens en voksen hjerne består af 86 milliarder celler.

Minihjernerne er heller ikke koblet til nogen sanser.

»På nuværende tidspunkt ser jeg ingen grund til at være bekymret for bevidsthed i en halv centimeter stor, hul kugle med seks millioner nerveceller, men vi er nødt til at tænke over det,« sagde professor Hank Greely, direktør for Center for Law and Life Sciences ved Stanford University til The Guardian.

Dyrker minihjerner ved universitet i Norge

Ved Norges teknisk-naturvidenskabelige universitet (NTNU) benytter Magnar Bjørås og hans forskningsgrupper hjerneorganoider til at forske i sjældne hjernesygdomme.

Magnar Bjørås er professor ved NTNU’s Institut for klinisk og molekylær medicin.

»Vi genskaber sygdomsudviklingen i en minihjerne og sammenligner med én, som vi har fra et rask individ,« siger Magnar Bjørås til forskning.no, Videnskab.dk‘s norske søstersite.

Forskerne ved Magnar Bjørås’ laboratorie har i mange år arbejdet med hjernecellekulturer. Da den første forskningsartikel om minihjerner blev publiceret i 2013, tænkte de, at det var noget, de gerne ville arbejde med.

»Vi har tidligere arbejdet meget med 2D-kulturer – og til en vis grad 3D-kulturer – men ikke lige den samme slags som i forbindelse med minihjerner. Den tidligere metode, som man benyttede til at lave 3D-kulturer, går ud på at dyrke hjernestamceller, som bliver til klynger, der flyder rundt i det valgte medie,« siger Magnar Bjørås, som tilføjer:

»De danner ikke genkendelige strukturer, der ligner det, du har i en normal hjerne. Men det gør mini-hjerneorganoiderne.«

Det meste sker af sig selv

På NTNU begynder de med menneske-hudceller, der biver programmeret til at omdanne sig til stamceller.

Det gør forskerne ved at injicere gener, der overproducerer proteiner, som er typiske for stamcellerne, så hudcellerne bliver til såkaldte inducerede pluripotente stamceller. Det er med andre ord en universalcelle, som kan blive til mange forskellige slags celler – også hjerneceller.

Magnar Bjørås og hans kolleger introducerer derefter stamcellerne til et egnet miljø.

»Vi tilsætter vækstfaktorer, hvilket der er behov for for at kunne udvikle hjerneceller og sarkom-ekstrat, som har en masse af de faktorer, der er brug for i hjerneudviklingen. Så har cellerne noget at fæstne sig til, og det begynder at ligne en hjernestruktur.«

Det meste sker altså nærmest af sig selv. Cellerne begynder at dele sig og danne modne hjerneceller med forskellige funktioner – ligesom i løbet af udviklingen af en almindelig hjerne.

»Vi genskaber på en måde den tidlige fosterudvikling,« siger Magnar Bjørås.

LÆS OGSÅ: Minihjerner dyrket i reagensglas

Hvorfor er de så små?

Men hvorfor bliver hjernerne ikke større end bitte små linser?

»Dét, som begrænser størrelsen, er, at vi ikke har vakularisering – altså, blodårer. I menneskehjernen er der en masse små blodårer, som forsyner cellerne med den nødvendige næring. Hjerneorganoiderne er nødt til at optage næring fra det, de ligger i,« forklarer han og tilføjer:

»Jo større minihjernen bliver, desto mindre næring kommer der ind til kernen. Til sidst er det så lidt, at cellerne begynder at dø inderst inde. Derfor bliver de heller ikke større end 3-4 millimeter med de nuværende metoder.«

Forsøger at give dem blodårer

Men det er en begrænsning, som adskillige forskere forsøger at overvinde.

»Der er mange, som arbejder på at få vaskularisering – eller blodårer – ind i minihjernen. Vi har også set lidt på det selv,« siger Magnar Bjørås.

Hvis det lykkes forskerne, kan de dyrke hjerner, som ligner dem, vi har inde i hovedet.

Udviklingen er allerede styret af, hvilke dele af hjernen forskerne er særligt interesserede i.

»Dét, de fleste har arbejdet mest med, er såkaldte selvorganiserende minihjerner. De består af alle typer hjerneceller. Det bliver lidt tilfældigt, hvordan strukturerne ser ud. Det skaber en vis variation i vores eksperimenter, der gør, at det kan være vanskeligt at se, hvad der er tilfældigt, og hvad der er sygdom.«

»Dét, vi gør i større grad nu, er at skabe specifikke hjerneregioner. Vi kan målrette udviklingen mod hippocampus, hypothalamus, forhjernen eller midthjernen,« siger Magnar Bjørås.

Minihjerners hjernebølger minder om for tidligt fødte babyers

Der bliver stadig publiceret nye studier om minihjerner – og enkelte af dem forbavser forskerne.

Tidligere på året påviste forskere hjernebølger i en organoide for første gang.

Man ved, at der foregår meget elektrisk aktivitet i de små klynger, men her var de begyndt at udvise synkroniserede elektriske impulser.

Det betyder, at en mængde hjerneceller kommunikerede med hinanden.

Til at starte med var hjernebølgerne få og af samme frekvens, men efterhånden blev de mere komplekse.

Forskerne sammenlignede aktiviteten i minihjernen med målinger fra for tidligt fødte spædbørn.

Da minihjernerne var mellem 24 og 40 uger gamle, formåede den kunstige intelligens ikke længere at skelne mellem minihjernernes hjernebølger og målinger af for tidligt født babyer. Det fortalte én af forskerne til Gizmodo.

Var det et skridt på vej mod bevidsthed?

Minihjerner kobler sig til andet væv

I forbindelse med et andet forsøg, som blandt andet Science Alert skrev om, placerede forskerne muskelfibre og rygmarv fra mus i nærheden af minihjernen.

Mærkværdigt nok sendte den nervetråde ud og koblede sig selv til musklerne og til rygmarven. Forskerne kunne til og med observere bittesmå muskelsammentrækninger, som den satte i gang.

Magnar Bjørås er bekendt med, at minihjernerne kan ‘koble sig på’ andet væv.

»Jo, det gør de skam,« siger han.

Det har forskerne også vist i rotter i forbindelse med et forsøg, hvor de har indopereret en del af en minihjerne i en levende rotte.

»De celler, som kommer fra mennesket, begynder at integrere sig i de kredsløb, som passer ind i rottehjernen,« forklarer Magnar Bjørås.

Behov for etiske retningslinjer

Hvor langt kan man gå med denne slags forskning, før man begynder at overskride nogle etiske grænser?

Når en kunstig, dyrket hjerne begynder at få oplevelser som smerte eller nydelse? Er det overhovedet muligt uden en krop?

Her skal forskningen navigere i helt ukendt terræn, for selv om mennesket har fundet svar på mange store spørgsmål, har vi ikke et godt svar på, hvad der skaber bevidsthed.

»Jo mere vi udvikler dette, desto længere kommer vi. Det er vigtigt at understrege, at de minihjerner, vi arbejder med i dag, ikke er intakte hjerner på nogen som helst måde. De genskaber dele og netværk, som man kan finde i den normal hjerne,« siger Magnar Bjørås.

»Men det er klart, at når vi begynder at kunne styre udviklingen i endnu større grad, så kan man jo forestille sig, at vi ville kunne skabe hjerner, som til og med er i besiddelse af bevidsthed. Det er noget, vi må tage stilling til, den dag vi har teknologien til det. Det er ikke bare op til forskerne at afgøre. Vi skal have klare retningslinjer.«

LÆS OGSÅ: Renser alkohol virkelig din hjerne?

Jo større minihjerner, jo mere menneskelige

Problemstillingen blev taget op i en kommentar i tidsskriftet Nature sidste år.

Forfatterne skrev, at efterhånden som hjerneorganoiderne bliver større og mere sofistikerede, bliver det også mere sandsynligt, at de vil have menneskelige egenskaber.

»Det kan til en vis grad indebære evnen til at føle glæde, smerte og frygt, kunne lagre og hente minder frem – og til og med have en form for opfattelse af et selv, skrev forfatterne.

LÆS OGSÅ: Kunstig intelligens: Bliver mennesker overflødige?

Tror ikke, der er liv i hjernerne – men vi ved det ikke med sikkerhed

Johan Frederik Storm er professor og hjerneforsker ved Universitet i Oslo. Han forsker i signaler fra hjernen og har i mange år interesseret sig for teorier om bevidsthed.

»Vi ved, at det er muligt at have oplevelser uden sanseindtryk, som eksempelvis tanker og drømme.«

Johan Frederik Storm fortæller, at minihjernerne er meget små og simple i forhold til en hel menneskehjerne.

»Der er ikke meget, som giver anledning til at tro, at de kan få et indre liv overhovedet, så jeg tror ikke, at der er oplevelser, der er værd at tale om i sådan en lille klump af celler. Men vi kan faktisk ikke udelukke det fuldstændigt, fordi vi ikke ved, hvad der skal til,« siger Johan Frederik Storm. Han fortsætter:

»Hvis vi stod med en solid og testet teori om bevidsthed, så kunne vi sige noget om tilfælde, som ligger uden for det, som kan testes direkte. Sådan er det i fysikken. Hvis man har testet en teori i rigtig mange tilfælde, og at man kan forvente, at teorien bliver bekræftet hver gang, så kan man bruge den samme teori til at forudsige det, som er uden for tilfældene, og som skal testes.«

Er sanserne nødvendige for at tænke?

Johan Frederik Storm fortæller, at man har lavet forsøg med isolerede hjerner fra gnavere, blandt andet marsvin, hvor hjernen er blevet holdt i live ved at erstatte blodomløbet med oxygenrigt saltvand.

»Man har været bekymret for, om hjernerne måske oplevede et eller andet ubehageligt. Derfor har man også lavet en regel om ikke at varme dem op til den rigtige kropstemperatur. De bliver holdt på så lav en temperatur, at en normal hjerne vil være bevidstløs.«

Hjernens indre liv er ikke nødvendigvis afhængig af sanserne, men når vi tænker, fantaserer og drømmer, så er indholdet jo hovedsaglig baseret på tidligere sanseoplevelser.

Vi ser billeder, tænker på sprog og har følelser, som er knyttede til noget, vi har oplevet tidligere.

»Vores drømme indeholder elementer fra vores sanseoplevelser. Hvad ville der ske, hvis vi aldrig havde haft sanseoplevelser, ville vi overhovedet have drømme eller tanker? Det er der ingen, som ved, tror jeg. Indtil videre er det mest spekulationer,« siger Johan Frederik Storm.

Minihjernerne kan ikke absorbere indtryk fra omverden, men det er påvist, at de har celler med såkaldte fotoreceptorer, som reagerer på lys.

Minihjernerne ved NTNU begyndte på et tidspunkt at udvikle ‘pupiller’, som kunne ses som to små, sorte prikker.

LÆS OGSÅ: Hvad drømmer blinde?

Kan en hjerne uden krop føle smerte?

Når det gælder smerte, siger Johan Frederik Storm, at en isoleret hjerne muligvis kan opleve noget, der minder om smerte.

Fantomsmerter efter amputation af lemmer er et eksempel på smerter, som opleves af hjernen, selv om den mangler forbindelse med de kropsdele og de følsomme nervefibre, hvor smerteimpulserne almindeligvis opstår.

»Det vil efterhånden kunne måles i en isoleret hjerne. Man kan se, om der er aktivitet i de dele af hjernen, som er aktive i forbindelse med smerte,« fortæller Johan Frederik Storm.

»Men det er ikke sikkert, at den aktivitet, som foregår i en minihjerne, generer bevidsthed. Vores egen hjerne gør meget, uden at der er en oplevelse knyttet til det. Når vi for eksempel trækker vejret, sidder ned eller står oprejst, er det styret af hjernen, selv om vi ikke tænker bevidst over det. Mange af hjernens funktioner er helt ‘automatiske’,« siger han.

Bruges til at finde behandling for hjernesygdomme

Magnar Bjørås studerer blandt andet, hvad der sker i minihjernerne ved Batten Disease, en fremadskridende, oftest recessivt arvelig nervelidelse, hvor degenereringen starter i en ung alder.

Magnar Bjørås og kolleger forsker også i andre former for lysosomale sygdomme – arvelige sygdomme, der skyldes mangel på eller defekt, i måden cellerne nedbryder affaldsstoffer.

»Det, som kendetegner mange af disse sygdomme, er, at der ikke findes nogen behandling,« siger Magnar Bjørås.

Minihjernerne åbner op for at afdække, hvad det er, som er skyld i sygdommene, på en måde vi ikke tidligere har set. Det er ikke altid, at det, som sker i en musehjerne, kan overføres til det, som sker i en menneskehjerne. Det er også stærkt begrænset, hvilken slags forskning man kan foretage i hjerne på et levende menneske.

LÆS OGSÅ: Kan min hjerne blive fyldt op?

Minihjernerne giver nye muligheder

Forskerne har for eksempel genskabt Alzheimers i minihjerner, så de på denne måde kan undersøge, hvad der sker, og så de kan teste medicin.

Minihjernen bliver også brugt til at studere slagtilfælde, skizofreni, epilepsi og andre hjernelidelser.

»Minihjernerne kan bruges til at forstå de mekanismer, som ligger til grund for sygdomsudviklingen, samt til at forstå, hvordan hjernen fungerer ved normal fysiologi. Det giver os mulighed for at lede efter og udvikle nye behandlingsmetoder,« siger Magnar Bjørås.

Forskningen i minihjernerne åbner op for mange spørgsmål, men leverer på samme tid også nye svar på, hvordan menneskehjernen fungerer.

Vi har med garanti ikke hørt det sidste fra dette forskningsfelt.

©Forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark.

LÆS OGSÅ: Kunstig intelligens: Sådan ‘kopierer’ computere din hjerne

LÆS OGSÅ: Placebo: Sådan kan lægen snyde din hjerne