Органоиды коры головного мозга человека, имплантированные мышам, устанавливают функциональную связь и реагируют на сенсорные стимулы.

Группа инженеров и нейробиологов впервые продемонстрировала, что органоиды человеческого мозга, имплантированные мышам, установили функциональную связь с корой головного мозга животных и реагировали на внешние сенсорные стимулы. Имплантированные органоиды реагировали на визуальные стимулы так же, как и окружающие ткани. Это наблюдение исследователи смогли сделать в режиме реального времени в течение нескольких месяцев благодаря инновационной экспериментальной установке, которая сочетает в себе массивы прозрачных графеновых микроэлектродов и двухфотонную визуализацию.

Команда, возглавляемая Дуйгу Кузумом, преподавателем кафедры электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Сан-Диего, подробно описывает свои выводы в выпуске журнала от 26 декабря. Связь с природой. Команда Кузум сотрудничала с исследователями из лаборатории Анны Девор в Бостонском университете; Лаборатория Алиссона Р. Муотри в Калифорнийском университете в Сан-Диего; и лаборатория Фреда Х. Гейджа в Институте Солка.

Органоиды коры головного мозга человека происходят от человека. индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, которые обычно происходят из клеток кожи. Эти мозговые органоиды недавно стали многообещающими моделями для изучения развития человеческого мозга, а также ряда неврологических состояний.

Но до сих пор ни одной исследовательской группе не удавалось продемонстрировать, что органоиды человеческого мозга, имплантированные в кору головного мозга мышей, обладают одинаковыми функциональными свойствами и одинаково реагируют на раздражители. Это связано с тем, что технологии, используемые для записи функций мозга, ограничены и, как правило, не могут записывать активность, которая длится всего несколько миллисекунд.

Команда под руководством Калифорнийского университета в Сан-Диего смогла решить эту проблему, разработав эксперименты, сочетающие массивы микроэлектродов, сделанных из прозрачного графена, и двухфотонную визуализацию, метод микроскопии, который может отображать живые ткани толщиной до одного миллиметра.

Ни в одном другом исследовании не удавалось записывать одновременно оптические и электрические сигналы. Наши эксперименты показывают, что визуальные стимулы вызывают электрофизиологические реакции в органоидах, соответствующие реакциям окружающей коры».

Мэдисон Уилсон, первый автор статьи и доктор философии. студент исследовательской группы Кузума в Калифорнийском университете в Сан-Диего

Исследователи надеются, что эта комбинация инновационных технологий нейронной записи для изучения органоидов послужит уникальной платформой для всесторонней оценки органоидов как моделей развития и болезней мозга, а также изучения их использования в качестве нейронных протезов для восстановления функции утраченных, дегенерированных или поврежденных областей мозга. .

«Эта экспериментальная установка открывает беспрецедентные возможности для исследования дисфункций на уровне нейронных сетей человека, лежащих в основе заболеваний головного мозга, связанных с развитием», — сказал Кузум.

Лаборатория Кузума впервые разработала прозрачные графеновые электроды в 2014 году и с тех пор совершенствует эту технологию. Исследователи использовали наночастицы платины, чтобы снизить импеданс графеновых электродов в 100 раз, сохранив при этом их прозрачность. Графеновые электроды с низким импедансом способны регистрировать и отображать активность нейронов как на макроуровне, так и на уровне отдельных клеток.

Поместив массив этих электродов поверх трансплантированных органоидов, исследователи смогли электрически регистрировать нейронную активность как имплантированного органоида, так и окружающей коры головного мозга в режиме реального времени. Используя двухфотонную визуализацию, они также заметили, что кровеносные сосуды мыши врастают в органоид, обеспечивая имплантат необходимыми питательными веществами и кислородом.

Исследователи применили визуальный стимул — оптический светодиод белого света — к мышам с имплантированными органоидами, в то время как мыши находились под двухфотонной микроскопией. Они наблюдали электрическую активность в электродных каналах над органоидами, показывая, что органоиды реагировали на стимул так же, как и окружающая ткань. Электрическая активность распространялась из области, ближайшей к зрительной коре, в область имплантированных органоидов через функциональные связи. Кроме того, их технология прозрачных графеновых электродов с низким уровнем шума позволила электрически регистрировать пиковую активность органоида и окружающей коры мыши. Записи графена показали увеличение мощности гамма-колебаний и фазовую синхронизацию спайков от органоидов с медленными колебаниями от зрительной коры мыши. Эти данные свидетельствуют о том, что органоиды установили синаптические связи с окружающей тканью коры через три недели после имплантации и получили функциональную информацию от мозга мыши. Исследователи продолжали эти хронические мультимодальные эксперименты в течение одиннадцати недель и показали функциональную и морфологическую интеграцию имплантированных органоидов головного мозга человека с корой головного мозга мыши.

Следующие шаги включают более длительные эксперименты с моделями неврологических заболеваний, а также включение визуализации кальция в экспериментальную установку для визуализации пиковой активности в органоидных нейронах. Другие методы также могут быть использованы для отслеживания проекций аксонов между органоидом и корой мыши.

«Мы предполагаем, что в дальнейшем эта комбинация стволовых клеток и технологий нейрозаписи будет использоваться для моделирования болезни в физиологических условиях, изучения возможных методов лечения органоидов, специфичных для пациента, и оценки потенциала органоидов для восстановления специфических утраченных, дегенерированных или поврежденных области мозга, — сказал Кузум.

Работа финансировалась через Национальные институты здравоохранения и Исследовательский совет Норвегии, а также Национальный научный фонд.