I lab-en til professor Jay Gopalakrishnan ligger hjerner og kikker på forskerne. Slik ser det i alle fall ut om man kikker tilbake på dem gjennom et mikroskop. Disse hjernene, på størrelse med et knappenålshode, har nemlig utviklet noe som ligner på øyne.
Jay Gopalakrishnan og hans kolleger ved universitetet Heinrich-Heine i Düsseldorf i Tyskland har tidligere dyrket frem minihjerner fra menneskelige stamceller, men denne gangen endret de på fremgangsmåten. Ved å gi stamcellene de kjemiske signalene som er viktig for dannelsen av øyet i fosterlivet, i riktig dose og på akkurat riktig tidspunkt, fikk de minihjernene til å danne anlegg til øyne. Etter 30 dager kom pigmenterte strukturer til syne i fremre del av minihjernene. Over de neste ukene utviklet disse strukturene seg videre, og på dag 60 hadde mange av minihjernene utviklet det som ser ut som to stirrende øyne, med flere av de spesialiserte celletypene man finner i øyets linse, hornhinne og netthinne.
Etterligner naturlige prosesser
Miniorganer, også kalt organoider (-oid kommer fra gresk og betyr «lignende»), er organer som forskere som Gopalakrishnan lager med utgangspunkt i stamceller fra mennesker. Ved å gi uspesialiserte stamceller de kjemiske signalene og betingelsene som er nødvendig for dannelsen av et bestemt vev eller organ, kan forskere etterligne prosessene som celler, vev og organer går igjennom når de dannes i fosterlivet. Organoider kan også lages fra mer spesialiserte stamceller hentet fra en pasients vev, men kan da kun danne den samme vevstypen.
I dag finnes det organoider som ligner blant annet spiserør, mage, tarm, lever, bukspyttkjertel, lunge, nyre og hjerne. Slike organoider har blitt viktige verktøy innen biologisk og biomedisinsk forskning. Men hvor like er organoider på ekte organer? Og hvor avanserte kan hjerneorganoider få bli før vi ikke lenger kan tenke på dem som celleklumper, men må betrakte dem som noe som skal ha rettigheter?
Erstatter dyreforsøk og cellekultur
Mange store gjennombrudd innen biologisk og medisinsk forskning har vært mulig takket være bruken av forsøksdyr. Men selv om dyr har gener, celler og organer som kan ligne på våre, er det også mange viktige biologiske forskjeller på dyr og mennesker som gjør at dyremodeller ikke egner seg til å besvare alle typer forskingsspørsmål som gjelder mennesker.
Menneskehjernen er bygget opp og fungerer annerledes enn dyrehjerner. Den er mer kompleks, inneholder celletyper som ikke finnes i for eksempel en musehjerne, og den utvikler seg på en annen måte i fosterlivet enn hjernen hos dyr. Et alternativ til å bruke forsøksdyr for å forstå menneskets biologi er å gjøre forsøk i cellekultur. Men menneskeceller dyrket på tradisjonell måte, flytende i en næringsløsning, eller dyrket i et cellelag på en overflate, gjengir ikke den tredimensjonale strukturen til vev, eller alle de celletypene med spesialiserte egenskaper som er nødvendig for å gi et vev eller organ sin funksjon. Her kommer organoider inn i bildet.
Organoider laget av menneskeceller gjengir de ulike celletypene, struktur og funksjon i levende vev bedre enn tradisjonell cellekultur. Samtidig er de er mer tilgjengelige og lettere å manipulere og eksperimentere på enn vev og organer i levende dyr eller i menneskekroppen.
De første hjerneorganoidene laget fra pluripotente stamceller ble til i 2013. Siden har forskere også laget hjerneorganoider som representerer flere av de ulike regionene av menneskehjernen.
Forstå sykdom og hjernens utvikling
Ulike hjerneorganoider brukes blant annet for å studere tidlige stadier av hjernens utvikling, for å forstå infeksjonssykdommer, genetiske lidelser og kreftsykdom, og for å teste effekter av nye legemidler.
Da zikaviruset rammet Brasil og deler av Sør-Amerika i 2015-2016, ble hjerneorganoider brukt for å studer hvordan zikaviruset påvirker hjerneceller. Dette hjalp forskerne å forstå hvorfor kvinner smittet med zikaviruset under svangerskapet fødte barn med mikrokefali, en medfødt misdannelse der babyens hjerne blir underutviklet og mindre enn normalt. Hjerneorganoider er også tatt i bruk under Covid-19-pandemien. Resultatene fra denne typen forskning kan kanskje bidra til å forklare hvorfor noen pasienter smittet med SARS-CoV-2-viruset utvikler nevrologiske symptomer.
Minihjerner brukes også til å studere genetiske sykdommer, som Retts syndrom, der mutasjoner i et gen gir alvorlig forstyrrelse av hjernen og nervesystemets utvikling. Ved å studere hjerneorganoider med den samme genfeilen, har man blant annet funnet frem til kjemiske forbindelser som bedrer funksjonen til minihjernene. Disse kjemiske forbindelsene kan i neste omgang være kandidater for å utvikle legemidler for pasienter med Retts syndrom.
Organoider brukes også til å studere sykdom som involverer flere typer vev. I 2020 beskrev forskere fra Stanford University i USA det de kaller en assembloide satt sammen av tre ulike organoider: hjernebark, ryggmarg og skjelettmuskulatur. Ved å stimulere hjernebarkorganoidene fikk forskerne cellene fra muskelorganoidene til å trekke seg sammen. Satt sammen på denne måten kan kan organoidene brukes til å forske på ryggmargsskade eller nevromuskulære sykdommer som ALS.
Jeg tenker, altså er jeg?
Noen organoider er det mer kontroversielt å dyrke enn andre, og forskning på hjerneorganoider kan være forbundet med flere etiske utfordringer. Hjernen er der vår bevissthet skapes, og der opplevelse av frykt og fysisk smerte registreres. Både mennesker og dyr kan oppleve lidelse dersom de ikke får dekket ulike sosiale, følelsesmessige og kognitive behov for kontakt med andre og muligheten til å interagere med omgivelsene sine. Dersom hjerneorganoider blir bevisst sin egen eksistens, utvikler evnen til å oppleve smerte, eller lider på andre måter, kan de ha det vi kaller moralsk status. Det innebærer at vi har moralske forpliktelser overfor dem og må ta deres interesser og behov med i betraktning.
I ett oppsiktsvekkende forsøk fra 2019 koblet professor Allyson Muotri og hans kollegaer ved University of San Diego hjerneorganoider til elektroder og kunne slik vise at organoidene produserer hjernebølger som ligner hjernebølgene man finner hos premature barn. Dette forsøket fikk stor oppmerksomhet, fordi slike koordinerte elektriske signaler er en forutsetning for bevissthet. Hjerneorganoidene i Muotris lab er strukturelt sett enkle og består av celler som mangler smertereseptorer. Det er derfor liten grunn til å tro at de har bevissthet eller at de føler smerte. Men forsøket reiser likevel spørsmålet om det en dag vil være mulig å lage bevissthet i laboratoriet og flere spør nå om det bør lages egne retningslinjer for bruk av organoider i forskning, på samme måte som bruken av dyr i forskning er regulert.
Noen av mine kollegaer sier at hjerneorganoider aldri vil oppnå bevissthet. Men jeg er ikke så sikker lenger.
Professor Allyson Muotri
Kan ikke måle bevissthet
En utfordring ved å lage slike retningslinjer for bruk av organoider i forskning vil være å definere hva bevissthet er.
– Det finnes ennå ingen klar og entydig vitenskapelig definisjon av hva bevissthet er, men de fleste forskere i feltet er enige om at man med «bevissthet» mener evnen til å kunne oppleve noe. Det er viktig å forstå at evnen til bevissthet ikke er det samme som evnen til å formidle at man har opplevelser. Man kjenner blant annet til flere eksempler på at pasienter som legene trodde var bevisstløse, har vært helt eller delvis bevisste, men ikke har hatt evnen til å gi uttrykk for det, sier hjerneforsker Johan Fredrik Storm, professor ved Institutt for medisinske basalfag ved UiO.
Hvordan kan man da vurdere om noen, eller noe, som ikke har evnen til å kommunisere egne opplevelser har bevissthet? Storm er i sin forskning både opptatt av å forstå hvordan hjernen skaper bevisste opplevelser og hvordan man kan avgjøre om noen har bevisste opplevelser.
– Det er utfordrende. Bevissthet kan ikke måles direkte, men man har sterke holdepunkter for at visse typer hjerneaktivitet er grunnleggende for at mennesker kan ha bevisste opplevelser. Man kan måle hjerneaktivitet hos en pasient under narkose eller en person som drømmer i form av hjernebølger og vurdere hvor komplekse disse signalene er. Vi bruker blant annet en metode som kalles Perturbational Complexity Index (PCI) som har vist seg ganske pålitelig til å vurdere bevissthetstilstanden hos mennesker objektivt. Slike metoder kan man i prinsippet også bruke på organoider.
Men fordi organoidene er så forskjellige fra menneskehjernen, er det ennå svært usikkert om disse metodene kan gi meningsfulle svar på om organoidene eventuelt kan ha en grad av bevisste opplevelser. Det er et grunnleggende problem at bevisste opplevelser er subjektive. Det er personen selv som vet at han eller hun er bevisst. For at jeg skulle bli helt overbevist om at en organoide eventuelt har en form for bevissthet, måtte vi først ha klart å utvikle en pålitelig teori for hva bevissthet egentlig er og hvordan dette kan påvises objektivt, selv i systemer som er svært forskjellige fra vår hjerne. Men det er trolig langt frem til dette målet, selv om vi allerede nå har noen lovende teorier og metoder, sier Storm.
Kan en kroppsløs hjerne tenke?
Tanken på en kroppsløs, men bevisst, minihjerne som lider uten å ha evnen til å kommunisere sine opplevelser til omverden er urovekkende. Men hvor sannsynlig er det at en isolert hjerne kan ha bevisste opplevelser?
Professor Storm tviler ikke på at en fullt utviklet hjerne som er blitt isolert fra kroppen kan ha bevisste opplevelser. Våre drømmer under søvn og narkose viser at hjernen selv kan danne en virtuell «verden» av indre opplevelser, selv når den ikke mottar sanseinntrykk, eller styrer bevegelser. Men selve utviklingen av de komplekse nettverkene som er nødvendig for å danne avansert bevissthet, kan kreve impulser fra omgivelsene og muligheten til å reagere på slike impulser, og dette er også viktig informasjon som former våre indre opplevelser.
– Opptreningen av hjernen starter allerede i fosterlivet. Fosteret beveger seg og har spontan aktivitet i hjernen, og tidlige sanseinntrykk fra berøring, lukt, smak og hørsel kan også være viktig for utviklingen av hjernen, sier Storm.
Et argument mot at organoider kan utvikle mer avansert bevissthet går nettopp på at de ikke har mulighet til å sanse eller interagere med omgivelsene og dermed ikke kan gjøre seg erfaringer. Men nye og stadig mer avanserte hjerneorganoider utfordrer disse grensene. Professor Muotri, som viste at hjerneorganoider produserer hjernebølger, har eksperimentert med å koble organoider til små edderkopplignende roboter. Robotene er igjen koblet til en datamaskin som både kan oversette elektriske signaler hos organoidene til bevegelser hos robotene, og kan sende informasjon fra sensorer hos roboten tilbake til organoidene i form av elektriske impulser.
Hjerne-øye-organoidene i Gopalakrishans lab er hverken avhengig av sensorer eller en datamaskin for å få stimuli fra omgivelsene. Minihjernene dannet selv anlegg til øyne, og elektriske nettverk av nerveceller som reagerer på lys. Er det grunn til å tro at organoider med evnen til å sanse vil kunne trene opp mer avanserte hjernefunksjoner? Vil avanserte hjerneorganoider som inkluderer deler av nervesystemet kunne føle smerte? For å svare på noen av de etiske utfordringene som er spesielle for forskning som kan skape bevissthet, kom USAs National Academies of Sciences, Engineering and Medicine i april 2021 med en rapport der de vurderer status på forskningsfeltet, diskuterer etiske problemstillinger og vurderer behov for egne retningslinjer for denne typen forskning.
Deres konklusjon er at det ikke er sannsynlig at hjerneorganoider i nærmeste fremtid vil utvikle evner vi vil gjenkjenne som bevissthet, følelser, eller opplevelse av smerte. De mener derfor at det ikke er grunn til å gi dagens hjerneorganoider annen moralsk status enn andre typer cellekultur, men at det kan bli nødvendig med egne retningslinjer for hjerneorganoider etter hvert som det utvikles stadig mer avanserte modeller.
Og hva tror organoideforskerne selv?
– Noen av mine kollegaer sier at hjerneorganoider aldri vil oppnå bevissthet. Men jeg er ikke så sikker lenger, sier Allyson Muotri til avisen New York Times.
