Новости

Jun 17, 2023

Портрет интенсивных коммуникаций в микрофлюидных нейронных сетях

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12306 (2023) Цитировать эту статью 1882 Доступ 4 Подробности об альтернативных метриках Сети моделей in vitro могут предоставить клеточные модели, имеющие физиологическое значение.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12306 (2023) Цитировать эту статью

Доступы 1882 г.

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Сети моделей in vitro могут предоставить клеточные модели, имеющие физиологическое значение для воспроизведения и исследования основных функций нейронных цепей на чипе в лаборатории. За последнее десятилетие было разработано несколько инструментов и методов для создания нейронных сетей на чипе; среди них микрофлюидные схемы кажутся весьма многообещающим подходом. Одним из многочисленных преимуществ этого подхода является то, что он сохраняет стабильные соматические и аксональные компартменты с течением времени благодаря физическим барьерам, которые не позволяют соме исследовать нежелательные области и направляют нейриты по определенным путям. В результате нейронные отсеки можно идентифицировать и изолировать, а их взаимосвязь можно модулировать для построения топологической нейронной сети (NN). Здесь мы оценили степень, в которой ограничение, налагаемое микрофлюидной средой, может влиять на развитие клеток и формировать активность NN. С этой целью массивы микроэлектродов позволили отслеживать краткосрочную и среднесрочную эволюцию активации нейронов в течение периода культивирования в определенных местах в организованных (микрофлюидных) и случайных (контрольных) сетях. В частности, мы оценили частоту всплесков и всплесков, а также корреляции между извлеченными сериями спайков на первых стадиях созревания. Это исследование позволило нам наблюдать интенсивные коммуникации нейритов, которые были бы более слабыми и более задержанными в случайных сетях; скорость всплеска, всплеск и корреляции усиливаются с течением времени с точки зрения количества и амплитуды, превосходя электрофизиологические характеристики стандартных культур. Помимо повышенной эффективности обнаружения, ожидаемой от микрофлюидных каналов, ограничение клеток, по-видимому, усиливает нейронные связи и развитие клеток по всей сети.

Модельные системы in vitro представляют основной интерес для обеспечения определяемой пользователем нейронной архитектуры и изучения клеточной организации и процессов в лаборатории. С этой целью было разработано несколько методов построения физиологически значимых нейронных сетей от плоских клеточных культур1,2,3 до трехмерных клеточных культур4 и органов на чипах5,6,7. Эти подходы позволили изолировать на чипе специфические клеточные механизмы, которые могли остаться незамеченными in vivo.

Первый метод, основанный на диссоциированных культурах нейронов, имеет ряд преимуществ. Хотя структура тканей в основном утрачивается, достигается высокая степень биохимического и биофизического контроля в сочетании с миниатюрным и высокоэффективным соединением с электрическими устройствами для долговременной записи. Ограничением таких моделей является случайная организация сом и нейритов. Это усложняет наблюдение за одними и теми же клетками или нейритами на протяжении всего их развития и не позволяет оценить пластичность сети. Кроме того, разные популяции невозможно разделить, что ограничивает исследование только внутрипопуляционным общением. Таким образом, в нескольких исследованиях были предприняты попытки структурировать нейронные сети in vitro, ограничивая расположение сомы и рост нейритов, обеспечивая подходящий способ изучения отдельных нейронов и их взаимодействия в течение нескольких недель. Во-первых, сочетание адгезивных и репеллентных полимеров позволило направлять нейроны по заданным шаблонам и привело к созданию первых функциональных архитектур, построенных в лаборатории8,9,10. Хотя этот подход позволил изолировать и соединить небольшое количество клеток, остаются проблемы со структурированием больших популяций. Кроме того, через пару недель нейроны все еще могут достигать нежелательных участков. Таким образом, были разработаны микроструктуры, обеспечивающие дополнительные физические барьеры и предотвращающие миграцию подвижных клеток11. Среди них микрофлюидные схемы на основе PDMS стали универсальными инструментами, обеспечивающими множество подходящих свойств для позиционирования, культивирования и взаимодействия больших популяций нейронов12,13. С момента первых демонстраций микрофлюидика на основе PDMS использовалась для моделирования цепей мозга на чипе14,15,16,17, а также для анализа одиночных нейронов18,19,20,21,22. Этот подход сочетает в себе нейронно-адгезивное покрытие и физические барьеры для эффективной адгезии клеток и стабильной во времени архитектуры13,23,24,25,26, сохраняя при этом высокую оптическую прозрачность для получения изображений с высоким разрешением27,28. Кроме того, микрофлюидные устройства могут быть собраны с любой подложкой, включая массивы электрических устройств4,29,30,31,32,33,34 для мониторинга активности одной и той же клетки и того, как ее активность развивается с течением времени. Действительно, эта комбинация отвечает важным условиям, а именно длительному поддержанию определенной нейронной цепи35,36 и эффективной связи нейрон-устройство37,38,39,40.