3D-модель, которая имитирует реальную среду мозга, создали исследователи из Делфтского технического университета (TU Delft) в Нидерландах, чтобы понять, как растут нейроны, как развиваются и структурируются нейронные сети, как происходит обмен сигналами, позволяющими мозгу учиться и невероятно быстро адаптироваться к различным контекстам. Об этом 31 января сообщается в работе, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials.

Описанная модель призвана помочь понять, например, механизмы, в соответствии с которыми нейроны формируют сети. Эта информация в будущем также может быть использована для изменения течения некоторых неврологических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и расстройства аутического спектра.

Используя крошечные наностолбики, которые намного меньше обычных структур, имитирующих мягкую нервную ткань и волокна во внеклеточном матриксе мозга, исследователи создали напечатанную на 3D-принтере модель мозга, которая имеет ту же жесткость и геометрию, на которые реагируют нейроны. нейроны и многие другие клетки организма в реальной среде, чтобы изучить их рост.

Для выращивания клеточных культур и понимания их основных явлений сегодня используются чашки Петри. Это плоские, жесткие, цилиндрические стеклянные или пластиковые контейнеры, которые, однако, сильно отличаются от мягкой, волокнистой среды внеклеточного матрикса мозга.

Используя двухфотонную полимеризацию — технологию 3D-лазерной печати с наномасштабной точностью, — исследователям удалось разработать массив или коллекцию наностолбиков, которые в мельчайших подробностях воспроизводят геометрические и механические свойства мозговой среды. Эти столбы в тысячу раз тоньше человеческого волоса и расположены на поверхности, как небольшие леса: изменяя ширину и высоту столбов или соотношение между этими размерами, исследователи корректировали их модуль сдвига — механическое свойство, воспринимаемое клетки, когда сталкиваются с массивами микро- или наноструктур.

«Этот процесс заставляет нейроны думать, что они находятся в мягкой среде, похожей на мозг, хотя наностолбики на самом деле жесткие»,  — пояснил доцент Анджело Аккардо.

«Стимулируемые движением нейронов, наностолбики имитируют мягкость мозга, мозговой ткани и в то же время обеспечивают трехмерную наноструктуру, к которой могут прикрепляться нейроны, точно так же, как нановолокна внеклеточного матрикса в реальной мозговой ткани. Этот механизм влияет на то, как нейроны растут и соединяются друг с другом», — добавил он.

Для проверки модели исследователи вырастили на наностолбиках три различных типа нейрональных клеток, полученных из мозговой ткани мышей или стволовых клеток человека.

Было замечено, что в традиционных чашках Петри и двумерных биоматериалах нейроны росли в случайных направлениях, тогда как в наностолбиках, напечатанных на 3D-принтере, во всех трех типах клеток они развивались в более организованных узорах, образуя сети под прямым углом.

Исследование также предоставило новые сведения о конусах роста нейронов. Эти структуры в форме рук ориентируют кончики растущих нейронов в процессе поиска новых связей. На плоских поверхностях конусы роста расширялись, оставаясь при этом относительно плоскими, тогда как на массивах наностолбиков они образовывали длинные, похожие на пальцы выступы, полезные для исследования окружающей среды во всех направлениях, не только вдоль плоскости, но и в трехмерном пространстве, гораздо ближе к тому, что происходит в реальной мозговой среде.

«Среда, воссозданная наностолбиками, также стимулировала созревание нейронов, — подчеркивает Джордж Фламуракис, первый автор исследования. Нейронные клетки-предшественники, выращенные на столбах, показали более высокие уровни маркера, типичного для зрелых нейронов, по сравнению с выращенными на плоских поверхности. Это показывает, что система не только влияет на направление роста, но и способствует созреванию нейронов».

Поскольку мягкость, по-видимому, является ключевым фактором в этом процессе, исследователи задались вопросом, будет ли достаточно выращивать нейроны на мягких материалах, таких как гели, но эта возможность была исключена, поскольку гелевые матрицы, такие как коллаген или матригель, различаются от партии к партии. А сами партии и не имеют рационально спроектированных геометрических характеристик.

Модель массива нанополимеров позволяет воссоздать мягкую среду с нанометрическими характеристиками и отличается исключительной воспроизводимостью благодаря разрешению двухфотонной полимеризации. Таким образом, более точно воспроизводя процесс роста и соединения нейронов, разработанная модель может предложить новое понимание различий между здоровыми сетями мозга и сетями, связанными с неврологическими расстройствами.