Гибкий имплант растет вместе с мозгом аксолотля

Ученые из США имплантировали гибкую и растяжимую сеть с электродами в эмбрионы лягушек на этапе нервной пластинки. При формировании нервной трубки и последующем развитии эмбриона сеть интегрировалась в ткани мозга, растягиваясь и деформируясь в процессе роста. Такая система позволила регистрировать нейронную активность с высоким разрешением во время развития головного мозга. Дальнейшие опыты на аксолотлях дали возможность определить расположение нейронов и их перемещения в развивающемся мозге, а также изучить нейронный ответ на ампутацию хвоста.

Отслеживание нейронной активности в процессе развития мозга — чрезвычайно интересная задача, однако существующие экспериментальные методы до сих пор не позволяли полностью решить ее. Так, функциональная магнитно-резонансная томография не обеспечивает достаточного пространственного разрешения, а генетически кодируемые индикаторы активности применимы только на прозрачных организмах. Новейшие разработки в области гибкой электроники позволяют создать сетчатые электроды, способные интегрироваться в живые ткани. Однако имплантация таких электронов во взрослый мозг все еще приводит к значительным повреждениям. Ученые из Гарвардского и Техасского университетов разработали альтернативный подход — они имплантировали гибкую и растяжимую сетку электродов в эмбрионы амфибий на этапе нервной пластинки. В процессе формирования нервной трубки и дальнейшего развития мозга сеть электродов интегрируется в его ткани, позволяя проводить непрерывные измерения в живом растущем мозге. Статья исследователей опубликована в Nature.

При разработке устройства авторы варьировали дизайн и механические показатели устройства, с тем, чтобы оно не повреждало эмбрион. Итоговый вариант — сеть из нитей перфторполиэфир-диметилакрилата (PFPE–DMA) толщиной менее нанометра, несущая платиновые электроды и растяжимые золотые провода. В предварительных тестах такой дизайн показал желаемые параметры растяжимости (расчеты показали, что в процессе роста мозга сети надо будет растянуться на 30%) и твердости.

Тестирование системы проводили на эмбрионах шпорцевых лягушек (род Xenopus). На 15-й стадии развития по Ньюкупу и Фаберу сеть электродов имплантировали поверх нервной пластинки, на этот момент еще двухмерной, в регион, из которого в дальнейшем формируется головной мозг. Авторы избегали имплантации в участки формирования спинного мозга, так как он увеличивается в длине значительно больше пределов растяжимости сети электродов.

Трехмерная конфокальная флуоресцентная микроскопия на последующих стадиях развития подтвердила успешную интеграцию сети в нескольких регионах мозга и контакт электродов с нейронами. Головастики-киборги, как их называют авторы, демонстрировали нормальную морфологию и поведение, а также уровень выживаемости и скорость развития, сопоставимые с контрольной группой. Анализ клеточной пролиферации и экспрессии генов стресса не выявил отклонений.

Имплантированная сеть электродов позволила регистрировать активность нейронов в процессе роста амфибий-киборгов. Так, на 24-й стадии развития ученые зарегистрировали медленные волны активности, затрагивающие несколько регионов мозга, а на стадии 26 — более быстрые сигналы, схожие с кальциевой волной.

Далее исследователи еще раз модифицировали дизайн сети, значительно увеличив плотность электродов, в расчете на то, что это позволит фиксировать сигнал с одного и того же нейрона несколькими электродами. На этот раз сеть имплантировали в эмбрион аксолотля. Как и в случае с головастиками, имплантация не повлияла на развитие аксолотлей-киборгов. Оценка задержки между регистрацией сигнала от отдельных нейронов разными электродами позволила рассчитывать местоположение нейронов в пространстве и отслеживать их перемещение в процессе развития мозга.

Наконец, авторы использовали имплантированную сеть электродов для оценки нейронного ответа на травму — аксолотли знамениты своей способностью к регенерации. Для этого аксолотлям-киборгам ампутировали хвост на 30-й стадии развития. После ампутации и в процессе регенерации ученые наблюдали значительное увеличение активности нейронов, а также повышение корреляции активности. Примечательно, что использование импланта для стимуляции мозга в соответствии с зарегистрированными паттернами активности повышала скорость регенерации. К четвертому дню различия уменьшились, поскольку регенерация хвоста почти завершилась.

Таким образом, у исследователей появился мощный инструмент для изучения развития мозга. Проведенные группой предварительные тесты показали совместимость системы с мышиными эмбрионами. По мнению авторов, дальнейшие исследования могут быть направлены на разработку методов имплантации системы in vitro или, в случае млекопитающих, in utero, а также других возможных применений системы.

Животные модели могут дать новую информацию о влиянии ранних этапов развития на заболевания ЦНС. «Аутизм, биполярное расстройство, шизофрения — все это может произойти на ранних стадиях развития», — говорит руководитель работы Цзя Лю из Гарварда. — В настоящее время просто нет возможности измерить нейронную активность на ранних стадиях нейронного развития. Наша технология действительно откроет неизведанные области».

Мыши с теллуровой сетчаткой видят инфракрасный свет