3D-электродный каркас охватывает до 91% поверхности органоидов и позволяет считывать и стимулировать почти всю их электрическую активность одновременно
Учёные Северо-Западного университета (Northwestern University) вместе с коллегами разработали новую систему регистрации активности мозговых органоидов — «мини-мозгов», выращенных из человеческих клеток. Устройство представляет собой гибкую электродную сеть вокруг органоида и покрывает почти всю его поверхность, обеспечивая беспрецедентный обзор нейронной активности.
Мозговые органоиды — это трёхмерные клеточные структуры, которые моделируют ранние этапы развития мозга или воспроизводят генетические особенности пациентов с неврологическими расстройствами. Их используют для изучения заболеваний, таких как аутизм и шизофрения, а также для тестирования лекарств. Однако до сих пор исследователи сталкивались с ограничением: невозможно было одновременно считывать активность всей структуры.
Проблема заключается в несоответствии масштаба и формы. Стандартные электродные массивы либо слишком жёсткие, либо покрывают лишь небольшую часть органоида. В результате учёные видят лишь фрагменты активности, не понимая, как работает вся сеть нейронов.
Новая разработка решает эту задачу за счёт трансформируемой конструкции. В исходном состоянии устройство представляет собой плоскую структуру, которая затем сворачивается в объёмную мягкую сетку и обволакивает органоид. Внутри распределены 240 микроэлектродов, каждый размером около 10 микрометров — примерно с одну клетку.
Соавтор работы Джон Роджерс (John Rogers) отмечает, что ключевой инженерный вызов заключался в согласовании геометрии устройства с формой органоида. В отличие от плоских микросхем, мини-мозг имеет сферическую и динамически меняющуюся форму.
После разворачивания сеть охватывает около 91% поверхности органоида и остаётся проницаемой для питательных веществ. Это важно, поскольку ткань должна «дышать» и продолжать развитие, не теряя жизнеспособности.
Система позволяет не только записывать активность, но и стимулировать её, а также отслеживать реакцию на лекарства. В экспериментах устройство фиксировало волнообразные электрические колебания, распространяющиеся по поверхности органоидов — паттерны, ранее практически недоступные для наблюдения.
В одном из тестов локальная стимуляция вызывала синхронные волны активности по всей структуре, напоминающие сигналы развивающегося человеческого мозга. Эти паттерны резко исчезали после воздействия ботулотоксина — вещества, блокирующего передачу сигналов между нейронами.
Такие результаты указывают на то, что органоиды могут воспроизводить базовые принципы организации реального мозга, а новая система позволяет наблюдать это в полном объёме, а не в отдельных фрагментах.
Устройство также успешно фиксировало изменения активности при химических дисбалансах, связанных с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Паркинсона, рассеянный склероз и боковой амиотрофический склероз (БАС). Это открывает возможность использовать органоиды как платформу для тестирования терапии.
Дополнительно система совместима с другими методами нейроисследований, включая оптическую стимуляцию нейронов (оптогенетику) и химическое картирование активности. Это позволяет комбинировать разные подходы и получать более полную картину работы нейронных сетей.
Исследователи отмечают, что ранее существующие технологии либо покрывали слишком малую часть органоида, либо мешали его росту. Новая конструкция решает обе проблемы за счёт мягкой, адаптивной архитектуры и равномерного распределения электродов. Система даёт возможность наблюдать работу мини-мозга как единой динамической сети, а не набора отдельных сигналов. Это приближает исследования органоидов к пониманию того, как формируются и координируются нейронные сети в реальном человеческом мозге.
