Группа инженеров и нейробиологов впервые продемонстрировала, что органоиды человеческого мозга, имплантированные мышам, установили функциональную связь с корой головного мозга животных и реагируют на внешние сенсорные стимулы. Имплантированные органоиды реагировали на зрительные стимулы так же, как и окружающие ткани. Это наблюдение исследователи смогли сделать в режиме реального времени в течение нескольких месяцев благодаря инновационной экспериментальной установке, сочетающей прозрачные графеновые микроэлектродные массивы и двухфотонную визуализацию.

Команда под руководством Дуйгу Кузума, преподавателя кафедры электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Сан-Диего, подробно описала свои результаты в выпуске журнала Nature Communications от 26 декабря. Команда Кузума сотрудничала с исследователями из лаборатории Анны Девора в Бостонском университете, лаборатории Алиссон Р. Муотри в Калифорнийском университете в Сан-Диего и лаборатории Фреда Х. Гейджа в Институте Салка.

Органоиды коры головного мозга человека получают из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека, которые обычно сами получают из клеток кожи. Эти органоиды мозга недавно стали перспективными моделями для изучения развития человеческого мозга, а также ряда неврологических заболеваний.

Но до сих пор ни одна исследовательская группа не смогла продемонстрировать, что органоиды человеческого мозга, имплантированные в кору головного мозга мыши, обладают теми же функциональными свойствами и одинаково реагируют на раздражители. Это связано с тем, что технологии, используемые для регистрации функций мозга, ограничены и, как правило, не способны регистрировать активность, длящуюся всего несколько миллисекунд.

Команда под руководством Университета Сан-Диего смогла решить эту проблему, разработав эксперименты, сочетающие микроэлектродные массивы из прозрачного графена и двухфотонную визуализацию - метод микроскопии, позволяющий получать изображения живой ткани толщиной до одного миллиметра.

"Ни в одном другом исследовании не удавалось одновременно регистрировать оптические и электрические сигналы", - говорит Мэдисон Уилсон, первый автор статьи и аспирант исследовательской группы Кузума в Калифорнийском университете в Сан-Диего. "Наши эксперименты показали, что зрительные стимулы вызывают электрофизиологические реакции в органоидах, совпадающие с реакциями окружающей коры".

Исследователи надеются, что сочетание инновационных технологий нейронной регистрации для изучения органоидов послужит уникальной платформой для всесторонней оценки органоидов как моделей развития и заболевания мозга, а также для изучения их использования в качестве нейронных протезов для восстановления функций утраченных, дегенерированных или поврежденных областей мозга.

"Эта экспериментальная установка открывает беспрецедентные возможности для изучения дисфункций на уровне нейронных сетей человека, лежащих в основе развивающихся заболеваний мозга", - говорит Кузум.

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

Поместив массив таких электродов поверх пересаженных органоидов, исследователи смогли в режиме реального времени регистрировать нейронную активность как в имплантированном органоиде, так и в окружающей коре головного мозга. Используя двухфотонную визуализацию, они также наблюдали, как кровеносные сосуды мыши прорастают в органоид, обеспечивая имплантат необходимыми питательными веществами и кислородом.

Исследователи применяли 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 каналах электродов над органоидами, показывающую, что органоиды реагируют на стимул так же, как и окружающие ткани. Электрическая активность распространялась от области, расположенной ближе всего к зрительной коре, в область имплантированных органоидов через функциональные связи.

Кроме того, технология прозрачных графеновых электродов с низким уровнем шума позволила регистрировать электрическую активность спайков из органоидов и окружающей коры мыши. Графеновые записи показали увеличение мощности гамма-осцилляций и фазовую фиксацию спайков из органоидов с медленными осцилляциями из зрительной коры мыши. Эти данные свидетельствуют о том, что через три недели после имплантации органоиды установили синаптические связи с окружающими тканями коры и получили функциональный вход от мозга мыши. Исследователи продолжали эти хронические мультимодальные эксперименты в течение одиннадцати недель и продемонстрировали функциональную и морфологическую интеграцию имплантированных органоидов человеческого мозга с корой головного мозга мыши.

Следующие шаги включают более длительные эксперименты с использованием моделей неврологических заболеваний, а также включение кальциевой визуализации в экспериментальную установку для визуализации пиковой активности в нейронах органоидов. Другие методы также могут быть использованы для отслеживания аксональных проекций между органоидом и корой мыши.

"Мы предполагаем, что в дальнейшем это сочетание стволовых клеток и технологий нейрорегистрации будет использоваться для моделирования заболеваний в физиологических условиях, изучения возможных методов лечения на органоидах, предназначенных для конкретных пациентов, и оценки потенциала органоидов для восстановления конкретных утраченных, дегенерированных или поврежденных областей мозга", - сказал Кузум.