Исследователи из Делфтского технического университета (TU Delft) в Нидерландах совершили прорыв в изучении нейронных сетей, разработав трёхмерную модель, имитирующую внеклеточный матрикс мозга. Этот инновационный подход, основанный на использовании наностолбчатой структуры, открывает новые перспективы для понимания процессов формирования нейронных сетей и их нарушений при различных неврологических заболеваниях.
Традиционные 2D-чашки Петри, с их плоской и жёсткой поверхностью, не способны воспроизвести мягкую и волокнистую среду мозга. Это приводит к неестественному росту нейронов и искажает результаты исследований. Команда под руководством профессора Анджело Аккардо создала наностолбцы, расположенные в виде крошечных лесов, используя метод двухфотонной полимеризации – 3D-печать с нанометровой точностью. Эти наностолбики, в тысячу раз тоньше человеческого волоса, имитируют структуру мозга, где нейроны могут цепляться за них и «ощущать» мягкость окружающей среды, изменяя свою форму и поведение.
Первый автор исследования, Джордж Фламуракис, отметил, что разработанные наностолбцы имеют настраиваемое соотношение ширины и высоты, позволяющее контролировать эффективный модуль сдвига. Это, в свою очередь, влияет на то, как клетки «чувствуют» своё окружение, имитируя мягкость мозговой ткани. Когда нейроны перемещаются по этим наностолбцам, они сгибают их, что очень похоже на процесс, происходящий в реальной мозговой ткани.
Для экспериментов использовались три типа нейронных клеток: клетки, полученные из мозга мыши, и клетки, полученные из человеческих стволовых клеток. В отличие от хаотичного роста на плоских поверхностях, нейроны на наностолбцах образуют более организованные сети, растущие под определёнными углами. Это указывает на то, что наностолбцы могут направлять рост нейронов, способствуя формированию более сложных и функциональных нейронных цепей.
Ключевую роль в росте нейронов играют так называемые ростовые конусы – похожие на руки структуры, которые направляют кончики растущих нейронов. На плоских поверхностях ростовые конусы становятся плоскими и широкими. Однако на наностолбцах они образуют длинные пальцевидные проекции, активно исследуя трехмерное пространство, что имитирует естественный рост в мозге.
Исследования также показали, что наностолбцы способствуют созреванию нейронов. Нейральные клетки-предшественники, выращенные на наностолбцах, демонстрируют более высокий уровень маркеров зрелых нейронов по сравнению с клетками, выращенными на плоских поверхностях. Это важный показатель эффективности модели.
В сравнении с гелями, такими как коллаген и Matrigel, наностолбцы имеют ряд преимуществ. Гели часто отличаются от партии к партии и не имеют рационально разработанных геометрических особенностей, в то время как наностолбцы обеспечивают воспроизводимость и точную нанометрическую структуру. Это критически важно для проведения точных и повторяемых научных исследований.
Разработанная технология открывает огромные перспективы для изучения различий между здоровыми нейронными сетями и сетями, поражёнными нейродегенеративными заболеваниями. Исследователи планируют использовать эту модель для изучения таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и расстройства аутистического спектра. Возможность создания точных моделей нейронных сетей, отражающих естественные условия, позволит углубить наше понимание механизмов этих болезней и, в перспективе, разработать более эффективные методы лечения.
Это новаторское исследование, опубликованное в журнале Advanced Functional Materials, демонстрирует потенциал трехмерной нанопечати в создании биологически значимых моделей для изучения мозга. Разработка новых инструментов для нейробиологии является важным шагом на пути к пониманию сложных механизмов функционирования мозга и разработке эффективных методов лечения нейродегенеративных и психических расстройств.
Исследование вводит новые понятия: внеклеточный матрикс, двухфотонная полимеризация, наностолбцы, модуль сдвига, ростовые конусы, нейральные клетки-предшественники и созревание нейронов. Все эти понятия играют важную роль в понимании того, как мозг формирует свои сложные сети.
Изображение носит иллюстративный характер
Традиционные 2D-чашки Петри, с их плоской и жёсткой поверхностью, не способны воспроизвести мягкую и волокнистую среду мозга. Это приводит к неестественному росту нейронов и искажает результаты исследований. Команда под руководством профессора Анджело Аккардо создала наностолбцы, расположенные в виде крошечных лесов, используя метод двухфотонной полимеризации – 3D-печать с нанометровой точностью. Эти наностолбики, в тысячу раз тоньше человеческого волоса, имитируют структуру мозга, где нейроны могут цепляться за них и «ощущать» мягкость окружающей среды, изменяя свою форму и поведение.
Первый автор исследования, Джордж Фламуракис, отметил, что разработанные наностолбцы имеют настраиваемое соотношение ширины и высоты, позволяющее контролировать эффективный модуль сдвига. Это, в свою очередь, влияет на то, как клетки «чувствуют» своё окружение, имитируя мягкость мозговой ткани. Когда нейроны перемещаются по этим наностолбцам, они сгибают их, что очень похоже на процесс, происходящий в реальной мозговой ткани.
Для экспериментов использовались три типа нейронных клеток: клетки, полученные из мозга мыши, и клетки, полученные из человеческих стволовых клеток. В отличие от хаотичного роста на плоских поверхностях, нейроны на наностолбцах образуют более организованные сети, растущие под определёнными углами. Это указывает на то, что наностолбцы могут направлять рост нейронов, способствуя формированию более сложных и функциональных нейронных цепей.
Ключевую роль в росте нейронов играют так называемые ростовые конусы – похожие на руки структуры, которые направляют кончики растущих нейронов. На плоских поверхностях ростовые конусы становятся плоскими и широкими. Однако на наностолбцах они образуют длинные пальцевидные проекции, активно исследуя трехмерное пространство, что имитирует естественный рост в мозге.
Исследования также показали, что наностолбцы способствуют созреванию нейронов. Нейральные клетки-предшественники, выращенные на наностолбцах, демонстрируют более высокий уровень маркеров зрелых нейронов по сравнению с клетками, выращенными на плоских поверхностях. Это важный показатель эффективности модели.
В сравнении с гелями, такими как коллаген и Matrigel, наностолбцы имеют ряд преимуществ. Гели часто отличаются от партии к партии и не имеют рационально разработанных геометрических особенностей, в то время как наностолбцы обеспечивают воспроизводимость и точную нанометрическую структуру. Это критически важно для проведения точных и повторяемых научных исследований.
Разработанная технология открывает огромные перспективы для изучения различий между здоровыми нейронными сетями и сетями, поражёнными нейродегенеративными заболеваниями. Исследователи планируют использовать эту модель для изучения таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и расстройства аутистического спектра. Возможность создания точных моделей нейронных сетей, отражающих естественные условия, позволит углубить наше понимание механизмов этих болезней и, в перспективе, разработать более эффективные методы лечения.
Это новаторское исследование, опубликованное в журнале Advanced Functional Materials, демонстрирует потенциал трехмерной нанопечати в создании биологически значимых моделей для изучения мозга. Разработка новых инструментов для нейробиологии является важным шагом на пути к пониманию сложных механизмов функционирования мозга и разработке эффективных методов лечения нейродегенеративных и психических расстройств.
Исследование вводит новые понятия: внеклеточный матрикс, двухфотонная полимеризация, наностолбцы, модуль сдвига, ростовые конусы, нейральные клетки-предшественники и созревание нейронов. Все эти понятия играют важную роль в понимании того, как мозг формирует свои сложные сети.
