Czy można zachować mózg po śmierci? Rozmowa z prof. Borysem Wróblem

Czy po śmierci można zachować mózg w stanie, który w przyszłości pozwoli odczytać zapisane w nim informacje? Firma Nectome twierdzi, że zrobiła w tym kierunku ważny krok: opracowała metodę umożliwiającą utrwalenie struktury mózgu dużego ssaka z dokładnością do pojedynczych połączeń między neuronami. Prof. Borys Wróbel, kierujący badaniami w firmie, wyjaśnia, gdzie przebiega granica między zapisem informacji a jej odtworzeniem i dokąd mogą nas zaprowadzić takie badania

Academia: To zacznijmy od samego badania. Co udało się w nim wskazać? 

Prof. Borys Wróbel: Zacznijmy od tego, że to na razie preprint, a nie publikacja naukowa. Nadal pracujemy nad wynikami, by można było złożyć tekst do czasopisma. 

Jeśli zaś chodzi o same wyniki, to udało nam się pokazać, że po zatrzymaniu krążenia można w bardzo krótkim czasie rozpocząć procedurę, która pozwala w bardzo wysokiej jakości zachować strukturę mózgu dużego ssaka. Procedura ta polega najpierw na wypłukaniu  krwi z układu krążenia, a potem na wprowadzeniu przez naczynia krwionośne substancji chemicznych utrwalających tkanki, a następnie związków, które pozwalają schładzać je bez tworzenia lodu niszczącego ich delikatną strukturę. To otwiera drogę nie tylko do bardzo dokładnego badania mózgu, ale też do jego długotrwałego przechowywania.

Docelowo chcemy zachować całe ciała, w tym mózgi, ze szczególnym uwzględnieniem konektomu. To w nim przechowywana jest informacja o właściwościach psychologicznych człowieka: pamięci, zdolnościach, wszystkim tym, co sprawia, że jesteśmy tym, kim jesteśmy. W opracowaniu tej technologii zwracamy uwagę na to, żeby ultrastruktura mózgu była zachowana na poziomie całego organu. W klasycznym tzw. bankowaniu mózgu na potrzeby naukowe organ pobiera się cały i dzieli na połówki. Jedną się zamraża, a do drugiej wprowadza się konserwanty, które przenikają do tkanki od zewnątrz na drodze dyfuzji. To trwa dniami, tygodniami, a nawet miesiącami. Nasza metoda działa inaczej, bo wykorzystuje układ naczyniowy do szybkiego rozprowadzenia tych substancji w całym mózgu. Dzięki temu można dużo lepiej zachować jego drobne struktury, bez uszkodzeń czy wielkich zniekształceń. Trzeba też od razu zaznaczyć, że technika, o której piszemy, została przetestowana na świniach. Do tej pory nie wykorzystaliśmy jej u dawców ludzkich.

To dlatego ta procedura musiałaby wyglądać inaczej niż w klasycznych bankach mózgu?

W większości banków mózgu dawca podpisuje zgodę na oddanie ciała albo mózgu do badań, a bank informowany jest o śmierci dawcy, gdy do niej dojdzie. W zwykłym trybie po kilku godzinach od zgonu ciało jest transportowane do ośrodka naukowego, patolog pobiera mózg i dopiero wtedy rusza cała procedura bankowania. U nas wyglądałoby to inaczej. Musi to być osoba w stanie terminalnym. W jurysdykcjach takich jak Oregon taka jest uprawniona uzyskania pomocy lekarza w tak zwanej  śmierci z godnością. Lekarz, niezwiązany z naszą firmą, może przepisać odpowiednie środki medyczne, które prowadzą po zażyciu najpierw do utraty świadomości, a potem życia. W Stanach Zjednoczonych pacjent musi je przyjąć samodzielnie, zwykle doustnie. Jednym z warunków jest prognoza krótsza niż sześć miesięcy życia. Taki dawca musiałby przyjechać do naszego centrum i oczywiście wyrazić zgodę na wykorzystanie ciała do badań po śmierci. Po przyjęciu środków inny lekarz albo inna uprawniona osoba, również niezwiązana z nami, musiałaby stwierdzić zgon. Dopiero wtedy można legalnie rozpocząć dalszą procedurę prezerwacji.

Dlaczego nie wystarczy pobrać mózgu po śmierci i zakonserwować go później?

Mózg jest bardzo delikatny. Świeżo pobrany jest bardzo miękki, galaretowaty, prawie nie utrzymuje własnego kształtu. Większość ludzi nie zdaje sobie też sprawy, że mózg dosłownie pływa w czaszce. Jeżeli wprowadzamy środki konserwujące przez naczynia krwionośne, możemy rozprowadzić je bardzo szybko. W klasycznym bankowaniu jedna połowa mózgu jest zamrażana, a wtedy delikatne struktury niszczą kryształki lodu. Druga część, utrwalana formaliną, nadaje się do mikroskopii świetlnej, ale przy mikroskopii elektronowej widać już, że drobne struktury są uszkodzone albo zmodyfikowane.

To po czym poznajecie, że wasza metoda rzeczywiście zachowuje te drobne struktury lepiej?

Naszym kryterium jakości jest analiza ultrastruktury za pomocą mikroskopii elektronowej. Testujemy też wykorzystanie  tak zwanej mikroskopii ekspansyjnej. To technika, w której przyczepia się białka do żelu, a potem rozszerza mały fragment tkanki i ogląda go pod mikroskopem świetlnym z większą rozdzielczością. Mikroskopia elektronowa, która dalej pozostaje standardem w badaniach konektomu, pozwala dziś badać tylko bardzo małe objętości. W ostatnich latach poznano cały konektom muszki owocowej. Badano też małe fragmenty mózgów myszy i człowieka. Celem jest określenie trójwymiarowej struktury wszystkich komórek i wszystkich połączeń między nimi.

Jeśli da się zachować strukturę, to jak daleko jesteśmy od odtworzenia działania mózgu?

Konektom to mapa połączeń między komórkami. Nadal nie wiadomo, co dokładnie byłoby konieczne, żeby stworzyć model obliczeniowy całego mózgu. W neurobiologii obliczeniowej istnieją różne modele. Niektóre próbują uwzględniać nie tylko połączenia między komórkami, ale też rozmiary komórek, rozgałęzienia dendrytów i inne cechy. Mówi się też o emulacji całego mózgu, ale dla żadnego zwierzęcia nie udało się jeszcze stworzyć tak dokładnej emulacji. Emulacja oznacza przeniesienie działania systemu na inny substrat. Tak jak stare komputery można emulować na nowych, tak w teorii można by próbować emulować cały mózg. Ale taka emulacja ma sens tylko wtedy, gdy obejmuje także ciało i środowisko, bo mózg działa w pętli z otoczeniem. Nie da się go sensownie odtworzyć w oderwaniu od tej pętli.

Czyli sama mapa połączeń to za mało?

Tu nie ma konsensusu. Jedni uważają, że do właściwej emulacji potrzebna jest nie tylko struktura komórek, ale też wiedza o receptorach, innych białkach, ekspresji genów; wiedza, która pozwoliłaby każdy neuron przypisać do określonego typu, klasy—których jest być może setki. Inni sądzą, że tak dokładna wiedza może nie być konieczna i że część funkcji da się przypisać na podstawie samej struktury i danych z innych mózgów. Wracając do naszej techniki: ona została zaprojektowana tak, żeby zachować obie te warstwy. To znaczy nie tylko samą architekturę połączeń, ale też położenie różnych cząsteczek w komórkach—i to nie tylko w neuronach, ale też w komórkach gleju.

Wprowadzamy przez naczynia krwionośne aldehydy. One wiążą się z białkami i kwasami nukleinowymi, a część z nich skleja te cząsteczki ze sobą. Dzięki temu ich pozycja się nie zmienia. Potem wprowadzamy krioprotektanty, które w dużej mierze zastępują wodę, co zapobiega powstawaniu lodu po ochłodzeniu. To pozwala silnie spowolnić reakcje chemiczne w niskiej temperaturze. Można obniżyć temperaturę do około minus 30 stopni Celsjusza i wtedy reakcje zachodzą bardzo wolno. Z obliczeń i eksperymentów wynika, że w takich warunkach zakonserwowane mózgi i ciała mogą być stabilne przez setki lat. Można też zejść niżej, do około minus 130 stopni. Wtedy osiąga się temperaturę zeszklenia. To stan stały bez tworzenia kryształów, w którym cząsteczki są praktycznie unieruchomione. W takim stanie stabilność można liczyć w tysiącach lat.

Po co właściwie to robicie: dla badań czy z myślą o jakimś przyszłym odtworzeniu człowieka?

Z jednej strony liczymy na dawców, którzy będą chcieli oddać swoje ciała i mózgi do badań naukowych. Dzięki takiej jakości zachowania tkanki można byłoby dużo dokładniej badać działanie mózgu niż przy obecnych metodach bankowania. Z drugiej strony są ludzie, którzy myślą o czymś w rodzaju podróży w czasie do przyszłości i liczą, że przyszłe technologie pozwolą ich w jakiś sposób odtworzyć. My jako firma nie jesteśmy w stanie przewidzieć, jakie technologie będą do tego potrzebne ani kiedy mogłyby powstać.

Nie zakładamy też, że musiałaby to być koniecznie emulacja mózgu i ciała. Być może przyszłe technologie pozwolą na jakieś fizyczne odtworzenie na podstawie zachowanej informacji. Nas interesuje przede wszystkim opracowanie takiej jakości zachowania mózgu, która zgodnie z obecną wiedzą neurobiologiczną daje podstawy sądzić, że potrzebna informacja rzeczywiście została zachowana.

Całą tę procedurę trzeba jednak zacząć bardzo szybko. Jak szybko?

Nasze badania na świniach pokazują, że po zatrzymaniu serca musimy rozpocząć wypłukiwanie  krwi z ciała bardzo szybko, w ciągu około 10-12 minut po zatrzymaniu bicia serca. W badaniach udało nam się uzyskać dobry efekt przy 14 minutach, ale uważamy, że to już wartość graniczna. Przy 18 minutach już się to nie udało. Dlatego wszystko musi być zaplanowane i przygotowane wcześniej. Na dziś trzymamy się ostrożnej wersji, że w przypadku ludzi procedurę trzeba byłoby rozpocząć mniej więcej w ciągu 12 minut. Wcześniejsze badania na gryzoniach prowadzą do podobnych wniosków. To zresztą bardzo zbliżony przedział czasowy do tego, który znamy z medycyny ratunkowej, kiedy po zatrzymaniu krążenia można jeszcze przywrócić akcję serca bez ciężkiego uszkodzenia mózgu.

Co się po tym czasie dzieje? Komórki po prostu obumierają?

Nie do końca. I to jest właśnie trochę bardziej złożone, niż zwykle się to przedstawia. Główny problem polega na tym, że naczynia krwionośne w mózgu stają się niedrożne. To zjawisko nazywa się no reflow. Nawet jeśli przywróci się krążenie, naczynia w mózgu mogą pozostać zablokowane. Gdyby udało się wydłużyć to, co nazywamy oknem perfuzyjnym, mogłoby to mieć znaczenie nie tylko dla naszej procedury, ale też dla terapii po zatrzymaniu krążenia albo w przypadku udarów.

Czyli z tej pracy może wyniknąć coś także dla medycyny ratunkowej?

Sam problem, czyli jak wydłużyć czas, w którym mózg pozostaje drożny dla perfuzji, ma znaczenie dużo szersze niż tylko nasze zastosowanie. Trzeba jednak pamiętać o ograniczeniach naszych badań. Po śmierci możemy sobie pozwolić na procedury czy substancje, które nie byłyby dopuszczalne w terapii, bo mogłyby być szkodliwe dla organizmu i uszkadzać narządy. 

Dlaczego prowadzi pan badania w Oregonie, a nie w Polsce czy Europie?

Ten projekt wymaga nie tylko zaplecza naukowego, ale też bardzo konkretnego otoczenia prawnego i organizacyjnego. Chcemy zbudować w Oregonie bank mózgów. Będziemy zachęcać ludzi do oddawania ciał do badań naukowych, by sprawdzić, czy rzeczywiście da się u ludzi po śmierci zachować w pełni strukturę mózgu. W Europie byłoby to dziś znacznie trudniejsze. Oregon ma pod tym względem ważną przewagę, bo nie obowiązują tam ograniczenia związane z rezydencją. Osoba zainteresowana nie musi być obywatelem ani rezydentem tego stanu, ani nawet obywatelem Stanów Zjednoczonych. Mogłaby więc przyjechać do nas także osoba z Europy—w tym z Polski— o ile lekarz uzna, że jej stan medyczny kwalifikuje ją do śmierci z godnością.

Prof. dr hab. Borys Wróbel obecnie pełni funkcję Chief Scientist w Nectome, start-upie działającym w pobliżu Portland w stanie Oregon (USA). Wcześniej był związany m.in. z Instytutem Oceanologii Polskiej Akademii Nauk oraz Wydziałem Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, gdzie kierował Laboratorium Bioinżynierii. Studiował i zdobywał kolejne stopnie naukowe na Uniwersytecie Gdańskim, a doświadczenie badawcze rozwijał także podczas staży i stypendiów naukowych m.in. w USA, Izraelu, Hiszpanii, Francji i Szwajcarii.”

• aktualności
• Nauki biologiczne i rolnicze
• Nauki medyczne
• popularyzacja