Τα τελευταία χρόνια, τα οργανοειδή, δηλαδή μικροτσιπ που διαθέτουν κανάλια/ θαλάμους της τάξης 1 μικρομέτρου μέχρι μερικών χιλιοστών για μεταφορά υγρών/ διαλυμάτων, προσφέρουν τη δυνατότητα μικροσκοπικής αναδημιουργίας ανθρώπινων οργανοειδών, δηλαδή μίνι οργάνων μεγέθους συνήθως 1-3 χιλιοστών. Μικροσκοπικές εκδοχές ήπατος, πνευμόνων, νεφρών και άλλων ζωτικών οργάνων κατασκευάζονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να αναπαράγουν ορισμένες από τις βασικές λειτουργίες των ανθρώπινων ομολόγων τους, όπως για παράδειγμα, τις αναπνευστικές κινήσεις ή τις μυϊκές κυτταρικές συσπάσεις.
Τα οργανοειδή του ανθρώπινου εγκεφάλου έχουν αναδειχθεί ως ένα πολλά υποσχόμενο μοντέλο για τη μελέτη της νευρολογικής ανάπτυξης και των νευρολογικών διαταραχών. Δημιουργημένα από βλαστοκύτταρα, αυτά τα μικροσκοπικά αντίγραφα του εγκεφαλικού φλοιού παράγουν τη δική τους νευρική δραστηριότητα, αλλά δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ στο παρελθόν να συνδέονται με τους περιβάλλοντες ιστούς και να συμμετέχουν σε μια συγχρονισμένη απόκριση σε εξωτερικά ερεθίσματα.
Το κύριο εμπόδιο για την επίδειξη αυτού του φαινομένου ήταν ανέκαθεν τεχνολογικό, καθώς οι υπάρχουσες συστοιχίες ηλεκτροδίων δεν είναι αρκετά λεπτές για να καταγράψουν τέτοια διαφοροποιημένη δραστηριότητα. Αυτό ακριβώς το εμπόδιο κατάφεραν να ξεπεράσουν επιστήμονες στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια του Σαν Ντιέγκο και να επιβεβαιώσουν τον σχηματισμό νευρικών κυτταρικών «συνάψεων ανθρώπου-ποντικιού».
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν νανοσωματίδια πλατίνας για να δημιουργήσουν διαφανείς συστοιχίες μικροηλεκτροδίων γραφενίου και μετά την εμφύτευση του ανθρώπινου «μίνι εγκεφάλου» στον εγκεφαλικό φλοιό των πειραματόζωων και την εφαρμογή ενός οπτικού ερεθίσματος, μέτρησαν με τα εμφυτευμένα ηλεκτρόδια τη νευρική δραστηριότητα στα οργανοειδή και στον περιβάλλοντα ιστό του εγκεφάλου ταυτόχρονα και διαπίστωσαν την ίδια αντίδραση στο ερέθισμα.
«Καμία άλλη μελέτη δεν μπόρεσε να καταγράψει οπτικά και ηλεκτρικά σήματα ταυτόχρονα», εξήγησε η πρώτη συγγραφέας της μελέτης Madison Wilson. «Τα πειράματά μας αποκαλύπτουν ότι τα οπτικά ερεθίσματα προκαλούν ηλεκτροφυσιολογικές αποκρίσεις στα οργανοειδή, που ταιριάζουν με τις αποκρίσεις του περιβάλλοντος φλοιού».
Χρησιμοποιώντας μια εξαιρετικά εκλεπτυσμένη τεχνική μικροσκοπίας που ονομάζεται απεικόνιση δύο φωτονίων (που μπορεί να απεικονίσει ζωντανό ιστό πάχους έως και ενός χιλιοστού), η ομάδα μπόρεσε να δείξει ότι τα αιμοφόρα αγγεία του ποντικού είχαν αρχίσει να επεκτείνονται στα οργανοειδή του ανθρώπινου εγκεφάλου, παρέχοντάς τους θρεπτικά συστατικά και ενέργεια. Τα εγκεφαλικά κύματα εντός των οργανοειδών συγχρονίστηκαν επίσης με αυτά του περιβάλλοντος ιστού, υποδεικνύοντας ότι είχαν δημιουργηθεί λειτουργικές συνδέσεις («συνάψεις») μεταξύ του ανθρώπινου οργανοειδούς του εγκεφάλου και του εγκεφαλικού φλοιού του ποντικού μέσα σε τρεις εβδομάδες από την εμφύτευση.
Οι συγγραφείς της μελέτης συνέχισαν τις παρατηρήσεις τους για έντεκα εβδομάδες και έδειξαν ότι τα οργανοειδή του ανθρώπινου εγκεφάλου ενσωματώνονται λειτουργικά και μορφολογικά στον εγκεφαλικό φλοιό του ποντικού.
Οι ερευνητές ελπίζουν ότι αυτός ο συνδυασμός καινοτόμων τεχνολογιών νευρωνικής καταγραφής για τη μελέτη των οργανοειδών θα χρησιμεύσει ως μια μοναδική πλατφόρμα για την ολοκληρωμένη αξιολόγηση των οργανοειδών ως μοντέλα για την ανάπτυξη του εγκεφάλου και τις ασθένειες και θα διερευνήσει τη χρήση τους ως νευρωνικά προσθετικά για την αποκατάσταση της λειτουργίας σε χαμένες, εκφυλισμένες ή κατεστραμμένες περιοχές του εγκεφάλου.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications .
Πηγή: UCSD
