Zespół badawczy twierdzi, że po raz pierwszy wykazał, że organoidy ludzkiego mózgu wszczepione myszom nawiązały funkcjonalną łączność z korą zwierząt i reagowały na zewnętrzne bodźce czuciowe. Wszczepione organoidy reagowały na bodźce wzrokowe w taki sam sposób, jak otaczające je tkanki. Naukowcy byli w stanie dokonać obserwacji w czasie rzeczywistym przez kilka miesięcy dzięki konfiguracji eksperymentalnej, która łączy przezroczyste układy mikroelektrod grafenowych i obrazowanie dwufotonowe.

Naukowcy opublikowali swoje badanie „Multimodalne monitorowanie ludzkich organoidów korowych wszczepionych myszom ujawnia funkcjonalne połączenie z korą wzrokową” w Komunikacja natury.

Ludzkie organoidy korowe pochodzą z indukowanych przez człowieka pluripotencjalnych komórek macierzystych, które zwykle same pochodzą z komórek skóry. Te organoidy mózgowe pojawiły się ostatnio jako obiecujące modele do badania rozwoju ludzkiego mózgu, a także szeregu schorzeń neurologicznych.

Jednak do tej pory żaden zespół badawczy nie był w stanie wykazać, że organoidy ludzkiego mózgu wszczepione do kory mózgowej myszy były w stanie dzielić te same właściwości funkcjonalne i reagować na bodźce w ten sam sposób. technologie wykorzystywane do rejestrowania funkcji mózgu są ograniczone i generalnie nie są w stanie rejestrować aktywności, która trwa zaledwie kilka milisekund

Zespół kierowany przez UC San Diego był w stanie rozwiązać ten problem, opracowując eksperymenty łączące macierze mikroelektrod wykonane z przezroczystego grafenu i obrazowanie dwufotonowe, technikę mikroskopii, która może obrazować żywą tkankę o grubości do jednego milimetra.

„Ludzkie organoidy korowe, trójwymiarowe kultury neuronów, stają się potężnymi narzędziami do badania rozwoju i dysfunkcji mózgu. Jednak to, czy organoidy mogą funkcjonalnie łączyć się z siecią sensoryczną in vivo, nie zostało jeszcze wykazane” – piszą badacze.

„Tutaj łączymy przezroczyste układy mikroelektrod i obrazowanie dwufotonowe do podłużnego, multimodalnego monitorowania ludzkich organoidów korowych przeszczepionych do kory zaśledzionowej dorosłych myszy. Obrazowanie dwufotonowe pokazuje unaczynienie przeszczepionego organoidu. Bodźce wzrokowe wywołują reakcje elektrofizjologiczne w organoidzie, dopasowując się do odpowiedzi z otaczającej kory mózgowej. Wzrost aktywności wielojednostkowej (MUA) i mocy gamma oraz blokowanie fazy MUA wywołanego bodźcem przy powolnych oscylacjach wskazuje na funkcjonalną integrację między organoidem a mózgiem gospodarza.

„Immunobarwienie potwierdza obecność synaps ludzko-mysich. Implantacja przezroczystych mikroelektrod z organoidami służy jako wszechstronna platforma in vivo do wszechstronnej oceny rozwoju, dojrzewania i funkcjonalnej integracji ludzkich sieci neuronowych w mózgu myszy”.

Po raz pierwszy nagrany jednocześnie optycznie i elektrycznie

„Żadne inne badanie nie było w stanie jednocześnie rejestrować optycznie i elektrycznie” – powiedziała Madison Wilson, pierwsza autorka artykułu i doktorantka. student w laboratorium doktora Duygu Kuzuma, członka wydziału inżynierii elektrycznej i komputerowej Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. „Nasze eksperymenty ujawniają, że bodźce wzrokowe wywołują reakcje elektrofizjologiczne w organoidach, pasujące do odpowiedzi z otaczającej kory mózgowej”.

Naukowcy mają nadzieję, że to połączenie innowacyjnych technologii rejestracji neuronowej do badania organoidów posłuży jako wyjątkowa platforma do wszechstronnej oceny organoidów jako modeli rozwoju i chorób mózgu oraz zbadania ich zastosowania jako protez neuronowych w celu przywrócenia funkcji utraconym, zdegenerowanym lub uszkodzonym obszarom mózgu.

„Ta eksperymentalna konfiguracja otwiera bezprecedensowe możliwości badania dysfunkcji na poziomie sieci neuronowej leżących u podstaw rozwojowych chorób mózgu” – wyjaśnił Kuzum. Jej zespół współpracował z naukowcami z laboratorium Anny Devor na Uniwersytecie Bostońskim, laboratorium Alysson R. Muotri w UC San Diego oraz laboratorium Freda H. Gage’a w Salk Institute.

Kolejne kroki obejmują dłuższe eksperymenty z wykorzystaniem modeli chorób neurologicznych, a także włączenie obrazowania wapnia do zestawu eksperymentalnego w celu wizualizacji skokowej aktywności neuronów organoidalnych. Można również zastosować inne metody do śledzenia projekcji aksonalnych między organoidem a korą myszy.

„Wyobrażamy sobie, że w przyszłości ta kombinacja komórek macierzystych i technologii neurorejestracji zostanie wykorzystana do modelowania chorób w warunkach fizjologicznych; badanie potencjalnych metod leczenia na organoidach specyficznych dla pacjenta; oraz ocena potencjału organoidów w zakresie przywracania określonych utraconych, zdegenerowanych lub uszkodzonych obszarów mózgu” — zauważył Kuzum.