Изследователи успяха за първи път да запишат дългосрочна електрическа активност в една-единствена мозъчна клетка

Кои мозъчни клетки са активни, когато човек е щастлив или тъжен?

За да отговорят на този въпрос, учените трябва да разберат как отделните мозъчни клетки допринасят за по-голямата мрежа от мозъчни дейности и каква роля играе всяка клетка за формирането на поведението и цялостното здраве. Досега беше трудно да се получи ясна представа за това как мозъчните клетки при живи животни се държат през продължителни периоди от време.

Но екипът на Дзя Лиу от Харвардското училище за инженерни и приложни науки "Джон А. Полсън" (SEAS) е разработил електронен имплант, който събира подробна информация за мозъчната активност от една-единствена клетка (която представлява интерес за учените) в продължение на повече от година. Техните открития, основани на изследвания върху мишки, са публикувани в Nature Neuroscience.

"Това изследване решава фундаментален проблем - предизвикателството да се създаде мозъчно-електронен интерфейс, който да не нарушава мозъчната функция и да не се разгражда с течение на времето", казва Лиу, който е доцент по биоинженерство в SEAS, където ръководи лаборатория, посветена на биоелектрониката.

Невролозите отдавна търсят по-добри инструменти за изследване на различни клетки в мозъка, включително неврони (които предават електрически и химически съобщения) и микроглия (имунни клетки, отговорни за поддържане на здравето на мозъка).

"Един неврон е много малък - само от 10 до 100 микрометра, а когато се задейства, неговият потенциал на действие (скокът в електрическата активност) трае само около две милисекунди", казва Лиу.

Някои техники могат да открият мозъчна активност от специфични клетки, които представляват интерес за краткотрайни експерименти в малки области на мозъка, или в тъкани, наскоро отстранени от животни, или чрез използване на сонди или оптогенетични техники за улавяне на активността in situ.

Но тези условия не съответстват на реалността и не предоставят достатъчно подробна информация за електрическата активност в отделните клетки, за да се разбере как активността се променя с възрастта и други житейски преживявания, казва Лиу. "Поведението, спомените и болестите се натрупват в продължение на дни, седмици, месеци и години."

Според него голяма част от досегашните трудности се дължат на несъответствието в механичните свойства на живата мозъчна тъкан и електронните записващи устройства. Това е попречило на дългосрочното и прецизно записване на поведението на невроните и микроглиите с течение на времето.

"Мозъкът е много мек, като текстурата на тофу или пудинг. Същевременно електрониката е твърда. Всяко малко движение на мозъка може да доведе до отклоняване и преместване на конвенционалните сензори в живата мозъчна тъкан. Това несъответствие в структурата може да доведе до деградация на клетките около мястото на имплантиране."

За да заобиколи този проблем, екипът на Лю, който е специализиран в проектирането на наноелектроника или "киборги", за да преодолее пропастта между живата тъкан и електрониката, разработва имплантируемо устройство и минимално инвазивна техника за безопасното му доставяне в мозъка. Гъвкавият наноелектронен сензор, наподобяващ мрежа, е проектиран така, че да се вкарва в мозъчната тъкан с помощта на водоразтворима полимерна "совалка". Преди имплантирането устройството и неговата совалка се свързват литографски. След като имплантът е поставен в мозъка, се прилага обикновен физиологичен разтвор, за да се разтвори совалката, като след нея остава само мрежестият електронен сензор.

При проучвания с мишки, при които екипът на Лиу имплантира своите наноелектронни сензори в множество области на мозъка, процесът на имплантиране и присъствието на сензорите водят до минимално нарушаване на мозъчната тъкан. След това, насочвайки се към отделни неврони за анализ, те използват устройствата, за да запишат електрическата активност на същите клетки през целия живот на възрастните мишки.

"Дори след една година не видяхме никакво влошаване на състоянието на отделните неврони или разрастване на микроглията, която искахме да запишем с устройствата", казва Лиу. "Няма друга технология, която да може да проследява едноклетъчен потенциал на действие от едни и същи клетки при активни животни в продължение на няколко месеца и една година."

В бъдеще Лиу планира да доразвие техниката, така че мозъчната активност да може да се предава в реално време от биологичната невронна мрежа към изкуствена невронна мрежа в компютър за анализ. Освен това той иска да проучи как мрежовите наноелектронни сензори могат да се използват за изучаване на явления като "невронно представяне".

"Когато гледате филм или виждате как кола се движи по пътя, мозъкът ви генерира електрическа активност, за да представи тези образи", казва той. По време на този процес на невронно представяне мозъкът кодира сензорна информация и мисли в модел на външни стимули.

Лиу казва, че настроенията например се влияят от невронното представяне и е особено заинтересован да проучи как промените в невронните представяния и състоянията на мозъка влияят върху колебанията на настроенията с течение на времето.

"Може би веднъж навън е студено и сиво, а вие се чувствате нещастни и в лошо настроение. Друг път е слънчево, вие сте на плажа и сте в отлично настроение. Начинът, по който тези представи се променят в мозъка, не може да се изследва с помощта на сегашните технологии, защото не сме успели да проследим стабилно активността на един и същ неврон", казва той. "Настоящото изследване преодолява напълно въпросното ограничение. Това е началото на нова ера в неврологията."

Крайната цел на изследванията на Лиу е да се разработят диагностични и терапевтични методи за неврологични, сърдечносъдови и развитийни заболявания.

Източник: Obekti.bg