Робота научили устанавливать нейроны в мозг человека

Робота научили устанавливать нейроны в мозг человека — первые эксперименты провели на мышах, но группа добровольцев уже набрана для дальнейших исследований.

Ученые из Южной Кореи сконструировали микроскопического робота, который управляется внешним магнитным полем и доставляет в изолированные in vitro ткани гиппокампа крысы культивированные нейроны. Это позволяет избирательно соединять и заново запускать нейронные сети, связи в которых ранее были нарушены. Технология потенциально способна помочь в контроле над ростом клеток в поврежденном мозге, в том числе человеческом. Об этом сообщается в журнале Science Advances.

Изучение нейронных связей и активности клеток очень важно для понимания различных функций мозга — от сенсорной обработки и механизмов памяти до сложных поведенческих шаблонов. Все они целиком зависят от соответствующих нейронных сетей, поэтому ученые давно ищут эффективные способы манипулирования ими. Это помогло бы в самых тонких деталях понять процессы, протекающие в нервной ткани, разобраться, как отдельные клетки общаются между собой и в конечном итоге — научиться устранять связанные с таким общением заболевания. До сегодняшнего дня, однако, подобные эксперименты удавалось проводить исключительно на мозговых органоидах и в культурах тканей вне тел живых организмов.

Сейчас для изучения работы нейронных сетей и попыток проконтролировать рост нейронов широко используются химические, физические или механические способы контроля за клеточными связями. Например, некоторые исследователи практиковали способ создания с помощью химических методов сигнального паттерна роста будущих нейронов. Однако такой подход не может обеспечить высокую точность и низкую травматичность манипуляций с клетками: из-за этого доставить новые клетки к особо сложным участкам не получится. На помощь в осуществлении этих методов с недавних пор пришли микророботы с магнитным приводом.

Ученым из Института науки и технологии города Тэгу во главе с Чой Хонгсу (Hongsoo Choi) удалось сконструировать трехмерного робота на магнитном управлении, который помогает с высокой точностью доставить необходимые живые клетки в целевую область нервной ткани. Сам робот — это прямоугольная микрочастица, которая изготовлена путем трехмерной лазерной литографии с осажденным на ней слоями никеля (Ni) и диоксида титана (TiO2) для обеспечения одновременно магнитных и биосовместимых свойств материала. Размер частицы — порядка 300 микрометров, что соответствует расстоянию для формирования двухдневного отростка тела нейрона.

По всей длине микроприбора расположены продольные микроканавки, ширина и глубина которых аналогичны линейным размерам самих аксонов и дендритов (примерно пять и два микрометра соответственно). Именно благодаря таким направляющим микроканавкам удается выровнять и направить отростки размещенной на роботе клетки к скошенным концам его поверхности, где они должны быть заново соединены. В результате происходит плавный рост клеток на роботе к окружающей поверхности ткани.

В ходе эксперимента на поверхности многоэлектродной полупроводниковой матрицы высокой плотности, которая отслеживает аксональные сигналы, ученые разместили нейронные кластеры клеток гиппокампа крысы с зазором в 200 микрометров. Туда же посадили микроробота, который несет на себе выращенные донорские клетки: перемещение устройства контролировали при помощи восьми электромагнитных катушек, которые создают напряжение магнитного поля в 20 микротесла с частотой 1,2 Герца.

Поскольку структура самого робота неоднородна по составу, электромагнитные манипуляции позволяют точно выровнять его между двумя нейронными кластерами в зависимости от приложения магнитного поля, и таким образом обеспечить соединение между ними. Именно в этом месте впоследствии и сформируется нужная нейронная связь. Кроме того, сигналы, поступающие на матрицу, дают возможность идентифицировать образованные нейронные сети без дополнительного микроскопического наблюдения. Это позволяет контролировать уровень нейрональной активности клеток до, во время и после манипуляции с роботом.

Ученые также показали, что само движение робота в клеточной среде никак не влияло на жизнеспособность клеток. По сравнению с контролем, где донорские нейроны были размещены на плоской поверхности между двумя кластерами клеток и демонстрировали случайное распределение и направление роста аксонов и дендритов, отростки на роботе прорастали исключительно вдоль микроканавок и восстанавливали функциональные связи в строго отведенном месте.

Используя методы визуализации происходящих клеточных процессов (в частности, конфокальную имунофлюоресценцию), ученым удалось подтвердить, что размещенные на микророботе клетки действительно демонстрируют выровненный рост аксонов и нормальное восстановление синаптических связей между нейронными кластерами. При этом, ученые наблюдали восстановление нормальной морфологии нейронной сети при полной жизнеспособности культивированных клеток.

Необходимо отметить, что предыдущие эксперименты уже демонстрировали возможность совместимости подобных микророботов с эмбриональными клетками человеческой почки, мезенхимальными стволовыми клетками, стволовыми нервными клетками гиппокампа человека и некоторыми другими. Это позволяет надеяться, что в будущем ученым удастся применять  технологию к широкому классу задач. Но лишь сейчас удалось практически показать реальность применимости технологии для первичных нейронов гиппокампа, по крайней мере для культуры клеток in vitro.

Описанный метод доставки донорских клеток исключает необходимость использования инвазивных микропипеток и манипуляторов. Робот с исключительной точностью размещается в физиологической среде, даже в самых крошечных областях ткани-мишени. Он почти не разрушает клетки и, более того, управляется при помощи безвредного слабого источника энергии. А контроль за ростом и направленностью нейронных отростков позволяет выстроить нейронные сети, аналогичные тем, которые можно наблюдать в здоровом мозге.

Как утверждают авторы статьи, в будущем сам микроробот может быть усовершенствован в зависимости от целей использования. Так, вместо никеля могут применяться наночастицы оксида железа (Fe3O4), которые обладают повышенным сродством с различными типами биологических тканей.

В целом, методы управляемого формирования нейронных сетей в будущем помогут в создании и внедрении в практику терапевтических средств, направленных на возобновление роста поврежденных аксонов в плохо функционирующих нейронах. Технология также сможет улучшить и общее понимание работы мозга на клеточном уровне.