Forskere laver et netværk med to neuroner

Den menneskelige hjerne er en udsøgt kompleks, organisk CPU, lavet af billioner af forbindelser mellem mange milliarder neuroner. At forstå et så kompliceret organ er et massivt videnskabeligt foretagende, og forskere bruger ofte forenklede modeller til at afdække små stykker af det neurologiske puslespil.

I en rapport offentliggjort i Mikromaskiner , forskere ved University of Tokyo Institute of Industrial Science beskriver deres nye metode til at skabe en sådan model ved hjælp af mikroskopiske plader til at forbinde neuroner sammen en celle ad gangen.

Forskning i hjernen involverer typisk brug af in vitro kulturer, som er samlinger af neuroner dyrket sammen i en skål. En kultur repræsenterer, træde i kræft, en meget afkortet version af en hjerne, der kan manipuleres kemisk eller elektrisk. Mens kulturer er uundværlige for neurologisk forskning, de lider af betydelige begrænsninger.

"In vitro kulturmodeller er essentielle værktøjer, fordi de tilnærmer sig relativt simple neuronnetværk og er eksperimentelt kontrollerbare, " siger undersøgelsens første forfatter Shotaro Yoshida. "Disse modeller har været medvirkende til området i årtier. Problemet er, at de er meget svære at kontrollere, da neuronerne har en tendens til at skabe tilfældige forbindelser med hinanden. Hvis vi kan finde metoder til at syntetisere neuron netværk på en mere kontrolleret måde, det ville sandsynligvis anspore til store fremskridt i vores forståelse af hjernen."

Forskerne benyttede sig af nyere indsigt i, hvordan neuroner opfører sig; nemlig at geometriske former kan lede neuroner, fortæller dem, hvor og hvordan de skal vokse. I dette tilfælde, holdet brugte et syntetisk neuron-klæbende materiale til at lave en mikroskopisk plade. Pladen er cirkulær med to fremspringende rektangler, lidt ligner en perle på en stram snor. De fandt ud af, at denne form guider neuroner til at vokse på en meget defineret måde:Når den placeres på mikropladen, en neurons cellekrop sætter sig på cirklen, mens axonet og dendritterne – grenene, der lader neuroner kommunikere med hinanden – vokser på langs langs rektanglerne.

"Det, der var særligt vigtigt i dette system, var at have kontrol over, hvordan neuronerne forbundet, " tilføjer Yoshida. "Vi designede mikropladerne til at være bevægelige, så ved at skubbe dem rundt, vi kunne fysisk flytte to neuroner lige ved siden af ​​hinanden. Da vi først havde placeret dem sammen, så kunne vi teste, om neuronerne var i stand til at transmittere et signal."

Neuroner kommunikerer med hinanden gennem synapser, specialiserede strukturer, der lader kemiske budbringere rejse fra den ene neuron til den næste. Ved at bruge en teknik til at visualisere delene af en synapse, forskerholdet fandt ud af, at de mikroplade-ridende neuroner faktisk var i stand til at danne disse kommunikationshubs. Hvad mere var, navene var funktionelle:når en neuron lyste op med elektrisk ladede ioner, dens partner lyste op på præcis samme tidspunkt.

Mens holdet sigter mod at forfine systemet yderligere (kun en lille brøkdel af neuroner kunne med succes forbindes gennem fungerende synapser), resultaterne af undersøgelsen tyder på et vigtigt skridt fremad i brugen af ​​mikroplader til forskning.

"Dette er, så vidt vi ved, første gang en mobil mikroplade er blevet brugt til morfologisk at påvirke neuroner og danne funktionelle forbindelser, " konkluderer ledende efterforsker Shoji Takeuchi. "Vi tror på, at teknikken i sidste ende vil give os mulighed for at designe simple neuronnetværksmodeller med enkeltcelleopløsning. Det er en spændende udsigt, da det åbner mange nye forskningsmuligheder, som ikke er mulige med vores nuværende suite af eksperimentelle værktøjer."