Выращивание клеточных культур нейронов и использование их для изучения работы живых нейронных сетей – неплохая альтернатива исследованиям на модельных животных. Однако проблема этого метода состоит в том, что изучение связей и механизмов передачи информации между клетками затрудняется из-за высокой синхронизации. Коллектив исследователей из Японии придумал новый способ выращивания клеток, который эту синхронизацию ограничивает. Описание своего метода исследователи опубликовали в журнале Advanced Materials Technologies.
Нейронная культура. a) Схема сконструированных сетей. Микрофлюидное устройство было прикреплено к покрытому PDL покровному стеклу, и на него были высеяны кортикальные нейроны крыс. b) Фазово-контрастная микрофотография сконструированных сетей на 14-й день in vitro. c) Схема микроканалов и их геометрии. d) Конфокальная флюоресцентная микрофотография сконструированной сети. Credit: Adv MaterialsTechnologies, First published: 23 November 2024, DOI: (10.1002/admt.202400894)
Для изучения механизмов взаимодействия нейронов в функциональных нейронных сетях живых организмов до сих пор самым лучшим вариантом остается использование модельных животных. В качестве альтернативы предлагается использование клеточных культур, на которых гораздо проще визуализировать активность клеток и управлять живыми нейронными сетями, что открывает большие возможности для их изучения. Однако у такого метода есть свои недостатки. Нейроны в однородных культурах, разрастаясь, образуют случайные связи, и для всей такой популяции характерна взрывная синхронная активность. Высокая степень синхронизации не позволяет воспроизвести особенности взаимодействия нейронов в зрелой коре головного мозга живых организмов. Поэтому, чтобы подавить эту чрезмерную синхронизацию при создании таких клеточных культур важно иметь возможность управлять их развитием.
Научный коллектив из Японии предложил свой вариант решения этой проблемы. Исследователи создали микрофлюидные устройства с микроканалами разного размера для конструирования биоподобной нейросети с иерархической структурой, в которой связи между модулями ограничивались. В сравнении с устройствами, которые используются для подобных целей в клеточной инженерии, микроканалы данных устройств были меньше обычного (до 2,2 мкм2 в сечении), и даже в них отростки нейронов смогли разрастись.
Отслеживание спонтанной нейронной активности в выращенных в таких устройствах сетях показало, что сети с редкими межмодульными связями демонстрируют разнообразные нейронные ансамбли в спонтанной активности и что статистика этих ансамблей значительно меняется после повторяющейся оптогенетической стимуляции. В частности, повторная стимуляция, применяемая к нескольким модулям, вызывала пластические изменения в нейронных ансамблях в неглубоких микроканальных сетях.
Исследователи делают вывод, что созданное ими устройство позволяет восстанавливать нейронные сети и служит новой модельной системой для исследования пластичности и стабильности нейронных ансамблей. В будущем исследователи планируют изучить основные механизмы, управляющие данными изменениями, что может улучшить понимание работы памяти и обучения в биологических системах, а также способствовать созданию новых вычислительных технологий на основе биологических нейронных сетей in vitro.
Текст: Анна Удоратина
«Precision microfluidic control of neuronal ensembles in cultured cortical networks» by Murota H. et al. Advanced Materials Technologies. Published: November 23, 2024.
Свежие комментарии