Naukowcy z Uniwersytetu Tohoku stworzyli wyhodowane w laboratorium sieci neuronowe przy użyciu urządzeń mikroprzepływowych, naśladujących naturalną aktywność mózgu i umożliwiających zaawansowane badania uczenia się i pamięci.
Wyrażenie „Neurony, które uruchamiają się razem, łączą się ze sobą” oddaje zasadę plastyczności neuronów w ludzkim mózgu. Jednak neurony hodowane w naczyniu laboratoryjnym zazwyczaj nie przestrzegają tych zasad. Zamiast tego hodowane neurony często tworzą przypadkowe, nieustrukturyzowane sieci, w których wszystkie komórki uruchamiają się jednocześnie, nie naśladując zorganizowanych i znaczących połączeń obserwowanych w prawdziwym mózgu. W rezultacie te modele in vitro zapewniają jedynie ograniczony wgląd w to, jak zachodzi proces uczenia się w żywych układach.
A co by było, gdybyśmy mogli stworzyć in vitro neurony, które lepiej naśladowałyby naturalne zachowanie mózgu?
Zespół badawczy na Uniwersytecie Tohoku wykonał znaczący krok w tym kierunku. Wykorzystując urządzenia mikroprzepływowe, zaprojektowali biologiczne sieci neuronowe o wzorach połączeń przypominających układy nerwowe zwierząt. Sieci te wykazywały złożoną dynamikę działania i wykazały zdolność do „rekonfiguracji” poprzez powtarzalną stymulację. To przełomowe odkrycie oferuje obiecujące nowe narzędzie do badania uczenia się, pamięci i podstawowych mechanizmów plastyczności neuronowej.
Wyniki opublikowano w Internecie w Zaawansowane technologie materiałowe 23 listopada 2024 r.
Zespoły neuronowe: podstawa uczenia się i pamięci
W niektórych obszarach mózgu informacje są kodowane i przechowywane w postaci „zespołów neuronowych”, czyli grup neuronów, które uruchamiają się razem. Zespoły zmieniają się w oparciu o sygnały wejściowe z otoczenia, co uważa się za neuronową podstawę tego, jak się uczymy i zapamiętujemy. Jednak badanie tych procesów na modelach zwierzęcych jest trudne ze względu na ich złożoną strukturę.
„Powodem konieczności hodowania neuronów w laboratorium jest to, że systemy są znacznie prostsze” – zauważa Hideaki Yamamoto (Uniwersytet Tohoku). „Neurony hodowane w laboratorium pozwalają naukowcom badać, jak działają uczenie się i pamięć w ściśle kontrolowanych warunkach. Istnieje zapotrzebowanie, aby te neurony były jak najbardziej zbliżone do rzeczywistych.”
Zespół badawczy stworzył specjalny model przy użyciu urządzenia mikroprzepływowego – małego chipa z maleńkimi strukturami 3D. Urządzenie to umożliwiło neuronom łączenie się i tworzenie sieci podobnych do tych w układzie nerwowym zwierząt. Zmieniając rozmiar i kształt maleńkich tuneli (zwanych mikrokanałami) łączących neurony, zespół kontrolował siłę interakcji neuronów.
Naukowcy wykazali, że sieci z mniejszymi mikrokanałami mogą utrzymywać różnorodne zespoły neuronowe. Na przykład neurony in vitro hodowane w tradycyjnych urządzeniach wykazywały zwykle tylko jeden zespół, podczas gdy te hodowane przy użyciu mniejszych mikrokanałów wykazywały aż sześć zespołów. Ponadto zespół odkrył, że powtarzana stymulacja moduluje te zespoły, wykazując proces przypominający plastyczność neuronów, tak jakby komórki ulegały rekonfiguracji.
Tę technologię mikropłynów w połączeniu z neuronami in vitro można w przyszłości wykorzystać do opracowania bardziej zaawansowanych modeli, które będą w stanie naśladować określone funkcje mózgu, takie jak tworzenie i przywoływanie wspomnień.
Odniesienie: „Precision Microfluidic Control of Neuronal Ensembles in Cultured Cortical Networks” autorstwa Hakuby Murota, Hideaki Yamamoto, Nobuaki Monma, Shigeo Sato i Ayumi Hirano-Iwata, 23 listopada 2024 r., Zaawansowane technologie materiałowe.
DOI: 10.1002/admt.202400894
