Новое устройство регистрирует почти полную активность мозговых органоидов, моделирующих ранние стадии развития мозга.

Учёные из Северо-Западного университета совместно с коллегами разработали инновационную систему для регистрации активности мозговых органоидов, которые представляют собой "мини-мозги", выращенные из человеческих клеток. Эта система включает в себя гибкую сеть электродов, охватывающую почти всю поверхность органоида, что обеспечивает уникальную возможность наблюдать за нейронной активностью. Мозговые органоиды — это трёхмерные клеточные структуры, моделирующие ранние стадии развития мозга или воспроизводящие генетические особенности пациентов с неврологическими расстройствами. Они применяются для изучения таких заболеваний, как аутизм и шизофрения, а также для тестирования лекарств. Однако до настоящего времени исследователи сталкивались с проблемой невозможности одновременного считывания активности всей структуры.

Основная сложность заключалась в несоответствии формы и масштаба. Стандартные электродные массивы либо слишком жёсткие, либо покрывают лишь небольшую часть органоида, что позволяет видеть только фрагменты активности, не давая полного понимания работы всей нейронной сети. Новая разработка решает эту проблему благодаря трансформируемой конструкции. В исходном состоянии устройство представляет собой плоскую структуру, которая затем сворачивается в объёмную мягкую сетку, обволакивающую органоид. Внутри распределены 240 микроэлектродов, каждый размером около 10 микрометров — примерно с одну клетку.

Соавтор исследования Джон Роджерс подчёркивает, что ключевой инженерной задачей было согласование геометрии устройства с формой органоида. В отличие от плоских микросхем, мини-мозг имеет сферическую и динамически изменяющуюся форму. После разворачивания сеть охватывает около 91% поверхности органоида и остаётся проницаемой для питательных веществ, что важно для поддержания жизнеспособности ткани. Система позволяет не только записывать активность, но и стимулировать её, а также отслеживать реакцию на лекарства. В экспериментах устройство фиксировало волнообразные электрические колебания, распространяющиеся по поверхности органоидов — паттерны, ранее практически недоступные для наблюдения.

В одном из тестов локальная стимуляция вызывала синхронные волны активности по всей структуре, напоминающие сигналы развивающегося человеческого мозга. Эти паттерны резко исчезали после воздействия ботулотоксина — вещества, блокирующего передачу сигналов между нейронами. Такие результаты указывают на то, что органоиды могут воспроизводить базовые принципы организации реального мозга, а новая система позволяет наблюдать это в полном объёме, а не в отдельных фрагментах. Устройство также успешно фиксировало изменения активности при химических дисбалансах, связанных с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Паркинсона, рассеянный склероз и боковой амиотрофический склероз (БАС). Это открывает возможность использовать органоиды как платформу для тестирования терапии.

Дополнительно система совместима с другими методами нейроисследований, включая оптическую стимуляцию нейронов (оптогенетику) и химическое картирование активности. Это позволяет комбинировать разные подходы и получать более полную картину работы нейронных сетей. Исследователи отмечают, что ранее существующие технологии либо покрывали слишком малую часть органоида, либо мешали его росту. Новая конструкция решает обе проблемы за счёт мягкой, адаптивной архитектуры и равномерного распределения электродов. Система даёт возможность наблюдать работу мини-мозга как единой динамической сети, а не набора отдельных сигналов. Это приближает исследования органоидов к пониманию того, как формируются и координируются нейронные сети в реальном человеческом мозге.

Источник