Удары током, инъекции ботокса и тесты с ядом — мини-мозг заперли в 3D-матрицу, чтобы искать лекарства от болезней

Мини-мозги, которые выращивают из человеческих стволовых клеток, давно стали обычным инструментом для лабораторий. Такие нейронные органоиды помогают изучать развитие нервной ткани, изменения при заболеваниях и реакцию на лекарства. Органоид не обладает сознанием и не работает как мозг человека, но внутри него формируются нейронные сети: клетки соединяются синапсами и обмениваются электрическими сигналами. Со временем появляются согласованные ритмы, а активность может распространяться по ткани волнами, как по связанной сети.

Проблема в том, как эту активность записывать. Большинство систем регистрации делают плоскими и жёсткими, а органоид — объёмный и мягкий, обычно близкий к шару. В итоге датчики касаются только небольшой части поверхности. Если сигнал появляется на другой стороне или волна проходит по всей ткани, прибор видит лишь кусочек картины. Из-за этого легко пропустить синхронные события в сети и то, как разные участки органоида включаются в работу одновременно.

Команда из Северо-Западного университета и Shirley Ryan AbilityLab решила задачу через форму. Они разработали мягкую трёхмерную электронику, которая подстраивается под кривизну органоида и обхватывает его, вместо того чтобы прижимать к плоской поверхности. По данным авторов, система может снимать электрические сигналы с 91% поверхности органоида. Для экспериментов это принципиально: становится видно не отдельные точки, а почти вся карта активности.

Устройство выглядит как тонкая гибкая решётка. В плоском виде её удобно изготовить и подключить, а затем она превращается в объёмную конструкцию и мягко охватывает ткань. Переход из плоскости в 3D происходит за счёт заранее рассчитанной деформации материала: решётка выгибается и складывается в нужную форму без жёсткого каркаса и без давления, которое могло бы повредить органоид.

В решётку встроено до 240 микроскопических электродов, каждый из них можно включать и считывать отдельно. Диаметр одного электрода — около 10 микрометров, то есть примерно как размер клетки. Малый размер даёт более точечную запись, а большое число электродов позволяет покрыть поверхность плотнее. При этом решётка остаётся пористой: через неё проходят кислород и питательные вещества, поэтому органоид не оказывается под сплошной плёнкой и не лишается доступа к среде. Для живой ткани это критично, иначе она быстро теряет жизнеспособность.

Когда команда сравнила системы с 8 или 32 электродами и полную 240-канальную версию, разница оказалась очевидной. В малоканальных вариантах запись получалась локальной: видно отдельные участки активности, но сложно понять, как сигнал распространяется по сети. С 240 каналами исследователи увидели синхронные осцилляции, волны колебаний, которые охватывали большую часть органоида. Ещё один важный момент: координаты каждого электрода известны в трёх измерениях. Поэтому можно строить подробные карты активности: где волна началась, как она прошла по поверхности, где усилилась и где затухла.

Платформа умеет не только записывать сигналы, но и стимулировать ткань. Электроды могут подавать слабые импульсы и позволять увидеть, как нейронная сеть на них отвечает. Это помогает отличать случайные всплески от устойчивых связей в сети, которые действительно проводят сигнал.

Чувствительность системы проверили на лекарствах. После воздействия 4-аминопиридина активность усиливалась. Этот препарат используют в нейрофизиологии как средство, которое повышает возбудимость нейронов, потому что он влияет на калиевые каналы. Второй тест был обратным по эффекту: ботулотоксин нарушал согласованную активность, потому что мешает нормальной передаче сигналов между нейронами на уровне синапсов. В обоих случаях система фиксировала не мелкие колебания, а заметные изменения в работе живой нейронной сети.

У работы есть ещё одна интересная сторона. Меняя рисунок решётки, исследователи смогли влиять на рост органоида и получать формы не только близкие к шару, но и более «геометричные», например с очертаниями куба или шестиугольника. Так органоидам можно задавать форму заранее и в перспективе собирать из разных тканей модульные системы для экспериментов.