Фраза «нейроны, которые активируются вместе, связываются вместе» описывает нейронную пластичность, наблюдаемую в человеческом мозге, но нейроны, выращенные в пробирке, похоже, не следуют этим правилам. Нейроны, культивируемые in vitro, образуют случайные и бессмысленные сети, которые активируются все вместе. Они неточно представляют, как обучался бы настоящий мозг, поэтому мы можем сделать только ограниченные выводы из их изучения.

Но что, если бы мы могли создать in vitro нейроны , которые на самом деле вели бы себя более естественно?

Исследовательская группа в Университете Тохоку использовала микрофлюидные устройства для воссоздания биологических нейронных сетей, имеющих связи, напоминающие те, что обнаружены в нервной системе животных. Они показали, что такие сети демонстрируют сложные паттерны активности, которые могут быть «переконфигурированы» посредством повторяющейся стимуляции. Это замечательное открытие предоставляет новые инструменты для изучения обучения и памяти.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Materials Technologies 23 ноября 2024 года.

В определенных областях мозга информация кодируется и хранится в виде «нейронных ансамблей» или групп нейронов, которые активируются вместе. Ансамбли изменяются в зависимости от входных сигналов из окружающей среды, что считается нейронной основой того, как мы учимся и запоминаем вещи. Однако изучение этих процессов с использованием животных моделей затруднено из-за сложности структур.

«Причина, по которой необходимо выращивать нейроны в лабораторных условиях, заключается в том, что эти системы намного проще», — отмечает Хидеаки Ямамото (Университет Тохоку). «Выращенные в лабораторных условиях нейроны позволяют ученым исследовать, как работают обучение и память в строго контролируемых условиях. Существует потребность в том, чтобы эти нейроны были максимально приближены к реальным».

(a) Активность нейронов и нейронных ансамблей, возникшая в ходе эксперимента. Каждая серая точка указывает на индивидуальную активность нейрона. Цветные линии внизу представляют обнаруженные нейронные ансамбли. (b) Пространственные карты нейронов, принадлежащих нейронным ансамблям. (c) Изменения частоты появления нейронных ансамблей во время экспериментов. Частота каждого ансамбля изменяется до и после стимуляции. Кредит: Адаптировано из Advanced Materials Technologies (2024). DOI: 10.1002/admt.202400894
Исследовательская группа создала специальную модель с использованием микрофлюидного устройства — небольшого чипа с крошечными 3D-структурами. Это устройство позволило нейронам соединяться и формировать сети, подобные тем, что существуют в нервной системе животных. Изменяя размер и форму крошечных туннелей (называемых микроканалами), соединяющих нейроны, группа контролировала, насколько сильно взаимодействуют нейроны.

Исследователи продемонстрировали, что сети с меньшими микроканалами могут поддерживать разнообразные нейронные ансамбли. Например, нейроны in vitro, выращенные в традиционных устройствах, как правило, демонстрировали только один ансамбль, в то время как нейроны, выращенные с меньшими микроканалами, демонстрировали до шести ансамблей. Кроме того, команда обнаружила, что повторная стимуляция модулирует эти ансамбли, демонстрируя процесс, напоминающий нейронную пластичность , как будто клетки перестраиваются.

Эта микрожидкостная технология в сочетании с нейронами in vitro может быть использована в будущем для разработки более совершенных моделей, которые смогут имитировать определенные функции мозга, такие как формирование и воспроизведение воспоминаний.