Устройство, являющееся частью лабораторного проекта iCHIP (платформа для исследования человека на основе чипов in vitro), моделирует центральную нервную систему, регистрируя нейронную активность нескольких типов клеток мозга, депонированных и выращенных на массивах микроэлектродов. Платформа, описанная в журнале PLOS One, может помочь ученым понять, как клетки мозга соединяются и взаимодействуют, бороться с заболеваниями мозга, определять, как солдаты страдают от воздействия химического и биологического оружия, и разрабатывать противоядия для противодействия этим эффектам.
«Хотя мы еще не приблизились к тому моменту, когда мы сможем полностью воспроизвести мозг вне тела, это важный шаг с точки зрения увеличения сложности этих устройств и движения в правильном направлении», — сказал соавтор исследования и LLNL. инженер-исследователь Дэйв Сосиа. «Идея состоит в том, что в конечном итоге сообщество достигает точки, когда люди достаточно уверены в устройствах, и эффекты, которые они видят от помещения химикатов или фармацевтических препаратов в среду платформы, аналогичны результатам, которые мы наблюдаем в человеческом теле».Чтобы воссоздать области мозга, исследователи разделили чип на четыре отдельные области — три подобласти и внешнюю область, представляющую кору головного мозга.
Исследователи поместили первичные клетки гиппокампа и коры на электроды, расположенные в зависимости от их относительной ориентации в головном мозге, с помощью специально изготовленных вставок, которые можно удалить после помещения клеток в устройство, чтобы обеспечить свободное общение между различными областями. Затем команда наблюдала за моделями потенциала действия клеток — «всплесками» электрической энергии, которую клетки излучают при общении, — и наблюдала, как клетки взаимодействуют с течением времени.
Исследователи также успешно провели тесты со вставкой из четырех клеток, чтобы доказать, что одновременно можно использовать больше типов клеток.Ученые заявили, что платформа является частью более широкого видения LLNL по противодействию возникающим и существующим угрозам, позволяет им изучать сети, сформированные между различными областями мозга, и получать своевременные, актуальные для человека данные без испытаний на животных или людях.
Эти данные будут использоваться для более точного прогнозирования реакции человека на контрмеры, вирусы или фармацевтические препараты и могут помочь ученым определить, являются ли определенные типы нейронов более восприимчивыми к воздействию.«Это позволяет нам создать платформу, которую мы можем использовать для проверки того, как химические вещества влияют на мозг», — сказала главный исследователь iCHIP Элизабет Уиллер. «Очевидно, что при высокой дозе мы знаем, что облучение будет вредным, но подумайте о воине, который долгое время подвергается воздействию химического вещества низкого уровня. Используя это устройство в будущем, мы могли бы предсказать, как это мозг будет затронут. Если мы поймем, как это повлияет, тогда мы сможем разработать контрмеры для защиты воина ".
Исследователи заявили, что эта технология также позволяет им увидеть, как клетки по-разному взаимодействуют в сочетании с разными типами клеток или расположены рядом с ними. Размещение ячеек с помощью микрочастицы воронкообразной вставки позволяет использовать эту вставку с любым типом платформы для чипа или типом ячеек, поскольку не требует нанесения на поверхность чипа рисунка с использованием различных химикатов для прикрепления клеток к нему. Система, по словам Сосиа, также позволяет исследователям легко переходить из «макромира в микромир», размещая клетки нескольких типов на меньших площадях, чем это было возможно раньше.«Для нас было очень важно, чтобы у нас не было физических барьеров, чтобы клетки могли развивать процессы взаимодействия и общения», — сказал Сосиа. «Здесь вы буквально просто вставляете вставку, пипетируете клетки через верх вставки, и она с высокой точностью наносит их на определенные участки электродного массива.
И поскольку он съемный, клетки прилипают, но ничто не удерживает их; им разрешено свободно расти и общаться с другими регионами ".Для этого доказательства концепции исследования ученые проанализировали электрическую активность клеток грызунов в течение 30 дней, сообщив, что клетки проявляли характеристики и изменения, имитирующие физиологические реакции, описанные в литературе. Основываясь на своих экспериментах, они предсказывают, что клетки мозга могут оставаться жизнеспособными и записываться на чип в течение гораздо более длительных периодов, вплоть до нескольких месяцев.
Сравнивая нейроны гиппокампа и кортикальные нейроны в монокультуре (с другими клетками того же типа) и в совместной культуре (оба типа клеток хранятся в одном устройстве), исследование показало, что некоторые особенности клеток гиппокампа, такие как процент потенциала действия спайки, обнаруженные во взрывах, были значительно выше при культивировании вместе с кортикальными клетками.«Мы обнаружили, что нейрон гиппокампа по-прежнему выглядит как нейрон гиппокампа, даже если присутствовали корковые нейроны, но они изменили некоторые из своих характеристик, основываясь на другом типе соседа», — сказал биолог из LLNL Крис Калп. «Они сохранили свои отличительные черты, но общались немного иначе».
По словам Кулпа, с помощью платформы «мозг на чипе» исследователи могут анализировать, как болезнь распространяется по мозгу, моделировать эпилепсию или потенциально изучать эффекты химического или биологического воздействия в течение нескольких месяцев.«Вы можете имитировать кого-то, получившего краткое воздействие на поле боя, а затем посмотреть на нейроны в течение шести месяцев и посмотреть, что происходит», — сказал Кулп. «Может быть, они оправятся от этого первоначального воздействия, но через шесть месяцев у них все еще есть какой-то ущерб. Это единственная система, которая позволяет проводить подобные эксперименты на человеческих клетках».Исследования продолжаются в рамках Стратегической инициативы, ориентированной на мозг, с главным исследователем, биологом LLNL Ником Фишером.
Инициатива включает платформы на базе чипов головного мозга и гематоэнцефалического барьера для прикладных научных исследований. Следующим шагом, по словам исследователей, является расширение устройства «мозг на чипе» до трех измерений и сортировка собранных к настоящему времени данных, чтобы определить, как они соотносятся с данными in vivo.«Теперь, когда мы доказали, что устройство работает и имитирует определенные характеристики мозга, нам необходимо более тесно сотрудничать с компьютерными учеными, статистиками и разработчиками моделей данных, чтобы полностью проанализировать данные», — сказал Уилер. «Приятно видеть, как эта идея превратилась в платформу, генерирующую данные, и теперь использующую эти данные для создания прогнозных биологических моделей».
Другие ученые и инженеры LLNL, участвовавшие в проекте, включают Фишера, со-ведущего автора Анна Белль, Хизер Энрайт, Ана Паула Де Оливейра Сейлз, Джоан Осберн и Эрик Мукерджи, а также бывшие сотрудники LLNL Уильям Бенетт и Сат Панну.Исследование финансировалось программой лабораторных исследований и разработок (LDRD).