В отчете, опубликованном в Micromachines, исследователи из Института промышленных наук Токийского университета описывают свой новый метод создания одной такой модели с использованием микроскопических пластин для соединения нейронов по одной клетке за раз.Исследования мозга обычно включают использование культур in vitro, которые представляют собой совокупности нейронов, выращенных вместе в блюде. По сути, культура представляет собой сильно урезанную версию мозга, которой можно управлять химически или электрически.
Хотя культуры необходимы для неврологических исследований, они имеют значительные ограничения.«Модели культивирования in vitro являются важными инструментами, потому что они аппроксимируют относительно простые нейронные сети и поддаются экспериментальному контролю», — объясняет первый автор исследования Шотаро Йошида. «Эти модели использовались в этой области на протяжении десятилетий.
Проблема в том, что ими очень трудно управлять, поскольку нейроны, как правило, создают случайные связи друг с другом. Если мы сможем найти методы для синтеза нейронных сетей более контролируемым образом , это, вероятно, будет способствовать значительному прогрессу в нашем понимании мозга ".Исследователи воспользовались недавним пониманием того, как ведут себя нейроны; а именно, что геометрические формы могут помочь нейронам направлять их, сообщая им, где и как расти. В этом случае команда использовала синтетический нейрон-адгезивный материал для изготовления микроскопической пластины.
Пластинка круглая с двумя выступающими прямоугольниками, чем-то напоминающая бусину на натянутой веревочке. Они обнаружили, что эта форма направляет нейроны к росту очень определенным образом: при помещении на микропланшет тело клетки нейрона оседает на окружности, в то время как аксон и дендриты — ветви, которые позволяют нейронам общаться друг с другом, — растут в длину. по прямоугольникам.«Что было особенно важно в этой системе, так это контроль над тем, как связаны нейроны», — добавляет Йошида. «Мы разработали микропланшеты так, чтобы они были подвижными, чтобы, толкая их, мы могли физически перемещать два нейрона рядом друг с другом.
После того, как мы поместили их вместе, мы могли проверить, могут ли нейроны передавать сигнал».Нейроны общаются друг с другом через синапсы, специализированные структуры, которые позволяют химическим посредникам перемещаться от одного нейрона к другому.
Используя технику визуализации частей синапса, исследовательская группа обнаружила, что нейроны на микропланшете действительно способны формировать эти коммуникационные узлы. Более того, хабы были функциональны: когда один нейрон загорался электрически заряженными ионами, его партнер загорался точно в то же время.Хотя команда стремится к дальнейшему совершенствованию системы (только небольшая часть нейронов может быть успешно связана через рабочие синапсы), результаты исследования предполагают важный шаг вперед в использовании микропланшетов для исследований.
«Насколько нам известно, это первый раз, когда мобильный микропланшет был использован для морфологического воздействия на нейроны и формирования функциональных связей», — заключает ведущий исследователь Сёдзи Такеучи. «Мы считаем, что этот метод в конечном итоге позволит нам разработать простые модели нейронных сетей с разрешением одной клетки. Это захватывающая перспектива, поскольку она открывает множество новых направлений исследований, которые невозможны с нашим текущим набором экспериментальных инструментов».