Группа ученых во главе с исследователями из Северо-Западного университета, Ширли Райан AbilityLab и Университета Иллинойса в Чикаго (UIC) разработала новую технологию, которая обещает улучшить понимание того, как развивается мозг, и предлагает ответы на вопросы по восстановлению мозга после нейротравмы. и нейродегенеративные заболевания.
Их исследование — первое, в котором самые сложные трехмерные биоэлектронные системы сочетаются с высокоразвитыми трехмерными нейронными культурами человека. Цель состоит в том, чтобы позволить точные исследования того, как цепи человеческого мозга развиваются и восстанавливаются in vitro. Это исследование стало статьёй на обложке журнала Science Advances.
Кортикальные сфероиды, использованные в исследовании, похожие на "мини-мозг", были получены из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток. Используя систему трехмерного нейронного интерфейса, которую разработала команда, ученые смогли создать «мини-лабораторию в тарелке», специально предназначенную для изучения мини-мозга и одновременного сбора различных типов данных. Ученые установили электроды для регистрации электрической активности. Они добавили крошечные нагревательные элементы, чтобы либо согреть мозговые культуры, либо, в некоторых случаях, намеренно перегреть культуры, чтобы подвергнуть их стрессу. Они также включали крошечные зонды, такие как кислородные датчики и маленькие светодиодные фонари, для проведения оптогенетических экспериментов. Например, они ввели в клетки гены, которые позволили им контролировать нервную активность с помощью разноцветных световых импульсов.
Затем эта платформа позволила ученым проводить комплексные исследования тканей человека без непосредственного участия людей или проведения инвазивных тестов. Теоретически любой человек может пожертвовать ограниченное количество своих клеток (например, образец крови, биопсию кожи). Затем ученые могут перепрограммировать эти клетки, чтобы создать крошечный сфероид мозга, который имеет генетическую идентичность человека. Авторы считают, что, объединив эту технологию с персонализированным подходом к медицине с использованием культур мозга, полученных из стволовых клеток человека, они смогут быстрее собирать идеи и создавать более эффективные и новые методы лечения.
Токовые электроды для культур тканей являются двумерными, плоскими и не могут соответствовать сложным структурным схемам, встречающимся в природе, например, таким, как в человеческом мозге. Более того, даже когда система является трехмерной, чрезвычайно сложно включить более одного типа материала в небольшую трехмерную структуру. Однако благодаря этому прогрессу целый класс устройств трехмерной биоэлектроники был адаптирован для области регенеративной медицины.
В качестве следующего шага ученые будут использовать устройства, чтобы лучше понять неврологические заболевания, протестировать лекарства и методы лечения, которые имеют клинический потенциал, и сравнить различные модели клеток, полученные от пациентов. Это понимание затем позволит лучше понять индивидуальные различия, которые могут объяснить широкий разброс результатов, наблюдаемых при неврологической реабилитации.
