Новый «мозг-на-чипе» моделирует связь между отделами мозга

Учёные из Гарвардского университета (Harvard University) разработали мультирегиональную модель «мозга-на-чипе». Устройство воспроизводит связь между тремя различными отделами мозга. Модель уже начала использоваться для детального изучения различий между нейронами из разных регионов мозга и моделирования системных связей.

Результаты исследования опубликованы в Journal of Neurophysiology.

«Мозг — это нечто куда большее, чем отдельные нейроны, — рассказывает соавтор работы Бен Маоз (Ben Maoz), член Группы биофизики заболеваний (Disease Biophysics Group) в гарвардской Школе технических и прикладных наук Джона Полсона (John Paulson School of Engineering and Applied Sciences, SEAS). — Многое зависит от разных типов клеток и связи между отдельными областями. Занимаясь моделированием мозга, вы должны воспроизводить и эти связи, поскольку многие заболевания нарушают именно их».

«Приблизительно 26% бюджета американского здравоохранения тратится на борьбу с неврологическими и психическими заболеваниями, — рассказывает Кит Паркер (Kit Parker), профессор биоинженерии и прикладной физики из SEAS. — Разработка инструментов, которые могут помочь медикам облегчать страдания пациентов с неврологическими и психиатрическими диагнозами — это не только жест гуманизма, но и лучший способ уменьшить расходы».

Исследователи создали модель, воспроизводящую три области мозга, которые в наибольшей степени страдают при шизофрении. Это миндалевидное тело (миндалина или амигдала), гиппокамп и префронтальная кора.

Работа началась с определения строения клеток, экспрессии белков, обменных процессов и электрической активности in vitro, отдельно для каждой из областей.

«Нет ничего удивительного в том, что нейроны разных отделов мозга отличаются друг от друга. Удивительно лишь, насколько они отличаются, — рассказывает соавтор исследования Стефани Донт (Stephanie Dauth), сотрудница Группы биофизики заболеваний. — Мы обнаружили, что многие показатели in vitro меняются в зависимости от того, с какой областью мозга мы работаем. И то, из какого отдела мозга были получены нейроны, имеет значение».

Затем группа исследователей начала изучать изменения, происходившие в нейронах, когда те взаимодействовали друг с другом. Для этого учёные вырастили группы клеток отдельно друг от друга и дали им возможность «общаться» через проводящие пути, встроенные в чип.

Исследователи снова измерили электрическую активность и другие показатели и обнаружили, что нейроны из одних областей мозга, контактируя с клетками из других, существенно меняются.

«Когда клетки разных отделов мозга взаимодействуют друг с другом, они претерпевают ряд изменений. Меняется строение клеток, меняются электрофизиологические характеристики, меняются внутренние характеристики нейронов, — поясняет Маоз. — Это показывает нам, насколько важно использовать клетки из различных областей мозга в ходе проведения экспериментов in vitro. Особенно если исследования посвящены влиянию болезней на связанные между собой участки мозга».

Чтобы продемонстрировать эффективность новой модели «мозга-на-чипе», исследователи добавили в клетки из различных регионов мозга фенциклидина гидрохлорид, более известный как PCP. Воздействие этого вещества в эксперименте моделирует шизофрению. Устройство позволило учёным впервые одновременно оценить влияние химического соединения и на отдельные области мозга, и на связи этих областей между собой.

Новая модель «мозга-на-чипе» может быть полезна в изучении неврологических и психических заболеваний, в том числе — наркотических зависимостей, посттравматических стрессовых расстройств и черепно-мозговых травм.