Organoidy ludzkiego mózgu wszczepione do kory mózgowej myszy po raz pierwszy reagują na bodźce wzrokowe

Organoidy ludzkiego mózgu wszczepione do kory mózgowej myszy po raz pierwszy reagują na bodźce wzrokowe

Zespół inżynierów i neuronaukowców po raz pierwszy wykazał, że organoidy ludzkiego mózgu wszczepione myszom nawiązały funkcjonalną łączność z korą zwierząt i reagowały na zewnętrzne bodźce czuciowe. Wszczepione organoidy reagowały na bodźce wzrokowe w taki sam sposób, jak otaczające je tkanki. Naukowcy byli w stanie dokonać obserwacji w czasie rzeczywistym przez kilka miesięcy dzięki innowacyjnej konfiguracji eksperymentalnej, która łączy przezroczyste układy mikroelektrod grafenowych i obrazowanie dwufotonowe.

Zespół kierowany przez Duygu Kuzuma, wykładowcę na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, szczegółowo opisuje swoje odkrycia w numerze czasopisma Nature Communications z 26 grudnia. Zespół Kuzuma współpracował z naukowcami z laboratorium Anny Devor na Uniwersytecie Bostońskim; Laboratorium Alysson R. Muotri w UC San Diego; oraz laboratorium Freda H. Gage’a w Salk Institute.

Ludzkie organoidy korowe pochodzą z indukowanych przez człowieka pluripotencjalnych komórek macierzystych, które zwykle same pochodzą z komórek skóry. Te organoidy mózgowe pojawiły się ostatnio jako obiecujące modele do badania rozwoju ludzkiego mózgu, a także szeregu schorzeń neurologicznych.

Jednak do tej pory żaden zespół badawczy nie był w stanie wykazać, że organoidy ludzkiego mózgu wszczepione w korze myszy były w stanie dzielić te same właściwości funkcjonalne i reagować na bodźce w ten sam sposób. Wynika to z faktu, że technologie wykorzystywane do rejestrowania funkcji mózgu są ograniczone i generalnie nie są w stanie rejestrować aktywności, która trwa zaledwie kilka milisekund.

Zespół kierowany przez UC San Diego był w stanie rozwiązać ten problem, opracowując eksperymenty łączące macierze mikroelektrod wykonane z przezroczystego grafenu i obrazowanie dwufotonowe, technikę mikroskopii, która może obrazować żywą tkankę o grubości do jednego milimetra.

„Żadne inne badanie nie było w stanie rejestrować optycznie i elektrycznie w tym samym czasie” – powiedziała Madison Wilson, pierwsza autorka artykułu i doktorantka. student w grupie badawczej Kuzuma na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. „Nasze eksperymenty ujawniają, że bodźce wzrokowe wywołują reakcje elektrofizjologiczne w organoidach, pasujące do odpowiedzi z otaczającej kory mózgowej”.

Naukowcy mają nadzieję, że to połączenie innowacyjnych technologii rejestracji neuronowej do badania organoidów posłuży jako wyjątkowa platforma do wszechstronnej oceny organoidów jako modeli rozwoju i chorób mózgu oraz zbadania ich zastosowania jako protez neuronowych do przywracania funkcji utraconym, zdegenerowanym lub uszkodzonym obszarom mózgu .

„Ta eksperymentalna konfiguracja otwiera bezprecedensowe możliwości badania dysfunkcji na poziomie ludzkiej sieci neuronowej leżących u podstaw rozwojowych chorób mózgu” – powiedział Kuzum.

Laboratorium Kuzuma po raz pierwszy opracowało przezroczyste elektrody grafenowe w 2014 roku i od tego czasu rozwija technologię. Naukowcy wykorzystali nanocząsteczki platyny do 100-krotnego obniżenia impedancji elektrod grafenowych przy jednoczesnym zachowaniu ich przezroczystości. Elektrody grafenowe o niskiej impedancji są w stanie rejestrować i obrazować aktywność neuronów zarówno na poziomie makroskali, jak i pojedynczych komórek.

Umieszczając układ tych elektrod na wierzchu przeszczepionych organoidów, naukowcy byli w stanie rejestrować elektryczną aktywność neuronów zarówno wszczepionego organoidu, jak i otaczającej kory gospodarza w czasie rzeczywistym. Za pomocą obrazowania dwufotonowego zaobserwowali również, że mysie naczynia krwionośne wrastały w organoid, dostarczając niezbędne składniki odżywcze i tlen do implantu.

Naukowcy zastosowali bodziec wzrokowy – optyczną białą diodę LED – myszom z wszczepionymi organoidami, podczas gdy myszy były pod mikroskopem dwufotonowym. Zaobserwowali aktywność elektryczną w kanałach elektrod nad organoidami, pokazując, że organoidy reagowały na bodziec w taki sam sposób, jak otaczająca je tkanka. Aktywność elektryczna rozprzestrzeniała się z obszaru najbliższego kory wzrokowej w obszarze wszczepionych organoidów poprzez połączenia funkcjonalne. Ponadto ich technologia przezroczystych elektrod grafenowych o niskim poziomie szumów umożliwiła rejestrację elektryczną aktywności skokowej z organoidu i otaczającej kory mózgowej myszy. Nagrania grafenowe wykazały wzrost mocy oscylacji gamma i blokowanie fazy skoków z organoidów do powolnych oscylacji z kory wzrokowej myszy. Odkrycia te sugerują, że organoidy nawiązały połączenia synaptyczne z otaczającą tkanką kory mózgowej trzy tygodnie po implantacji i otrzymały funkcjonalne informacje z mózgu myszy. Naukowcy kontynuowali te chroniczne multimodalne eksperymenty przez jedenaście tygodni i wykazali funkcjonalną i morfologiczną integrację wszczepionych organoidów ludzkiego mózgu z korą myszy gospodarza.

Kolejne kroki obejmują dłuższe eksperymenty z wykorzystaniem modeli chorób neurologicznych, a także włączenie obrazowania wapnia do zestawu eksperymentalnego w celu wizualizacji skokowej aktywności neuronów organoidalnych. Można również zastosować inne metody do śledzenia projekcji aksonalnych między organoidem a korą myszy.

„Wyobrażamy sobie, że w przyszłości ta kombinacja komórek macierzystych i technologii neurorejestracji zostanie wykorzystana do modelowania chorób w warunkach fizjologicznych, badania potencjalnych metod leczenia organoidów specyficznych dla pacjenta oraz oceny potencjału organoidów w przywracaniu określonych utraconych, zdegenerowanych lub uszkodzonych regiony mózgu” – powiedział Kuzum.

Prace zostały sfinansowane przez Narodowe Instytuty Zdrowia i Norweską Radę ds. Badań Naukowych oraz Narodową Fundację Nauki.

Źródło historii:

Materiały dostarczone przez Uniwersytet Kalifornijski – San Diego. Oryginał napisany przez Ioanę Patringenaru. Uwaga: treść może być edytowana pod kątem stylu i długości.

Click to rate this post!
[Total: 0 Average: 0]
science