На снимке видны различные области модели головного мозга,
соединяющиеся между собой длинными отростками нейронов, аксонами.
Результаты исследования опубликованы в Journal of Neurophysiology (Dauth et al., Neurons derived from different brain regions are inherently different in vitro: A novel multiregional brain-on-a-chip).
«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.
