0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

«Нейроны-на-чипе» позволят создать двигающиеся и чувствительные протезы

Нерв-на-чипе

Швейцарские исследователи из федеральной политехнической школы Лозанны, работающие под руководством профессора Стефани Лакур (Stéphanie Lacour), разработали миниатюрную электронную платформу (чип) для стимуляции периферических нервных волокон и регистрации испускаемых ими электрических импульсов. Обеспечивающая быструю модуляцию и регистрацию активности нервов с высоким показателем отношения сигнал/шум платформа открывает новые перспективы использования микрочипов для улучшения результатов нейропротезирования.

Нейропротезы – имплантаты, оснащенные многоконтактными электродами, – могут брать на себя определенные функции поврежденных нервов. Специалисты надеются, что со временем их использование позволит восстанавливать осязание у пациентов с ампутированными конечностями, возвращать парализованным пациентам способность ходить путем стимуляции спинного мозга, а также подавлять избыточную активность нервов у людей, страдающих от хронического болевого синдрома. Стимуляция нервов в нужном месте и в нужное время одновременно является залогом эффективности терапии и исключительно сложной задачей из-за неспособности имплантатов точно регистрировать нервную активность. По словам авторов, мозг человека испускает и получает миллионы нервных импульсов, тогда как пациенту обычно имплантируют всего лишь около десятка электродов, которых недостаточно для воспроизведения сложных моделей обмена информацией в нервной системе.

Авторы разработали платформу типа «нерв-на-чипе», позволяющую стимулировать эксплантированные нервные волокна и регистрировать испускаемые ими импульсы так, как это может делать нейропротез. Для этого электроды и эксплантированные нервные волокна размещают внутри микроканалов, точно воспроизводящих архитектуру, зрелость и функционирование живой ткани.

Функциональность платформы протестировали на нервных волокнах, эксплантированных из спинного мозга крыс, к которым применяли разные стратегии стимуляции и ингибирования нервной активности. Обычно лабораторные эксперименты проводят на культурах нейронов, которые не позволяют воспроизводить разнообразие нервных клеток в живой ткани и, соответственно, ее свойства. Более того, традиционно используемые внеклеточные комплексы микроэлектродов не позволяют регистрировать активность индивидуальных нервных клеток в культуре.

Созданная авторами платформа «нерв-на-чипе» изготавливается в условиях «чистой комнаты» в течение двух дней и позволяет регистрировать сотни нервных импульсов с высоким значением соотношения сигнал/шум. Однако наиболее важным ее свойством является ее способность регистрировать активность отдельных нервных клеток.

Исследователи использовали свою платформу для проверки эффективности фототермического метода ингибирования активности нейронов. (Подавление активности нейронов можно использовать в качестве терапии хронических болевых синдромов, например, невропатических болей и так называемых фантомных болей в ампутированных конечностях.)

Для этого на определенные электроды чипа нанесли слой фототермического полупроводникового полимера P3HT:PCBM, разогревающегося под действием света. Чувствительность электродов позволила измерить разницу между уровнями активности разных эксплантированных нервных волокон. Было установлено, что нагревание преимущественно блокирует активность наиболее тонких нервных волокон, сформированных чувствительными нейронами или ноцицепторами – болевыми рецепторами, вызывающими боль. На следующем этапе работы авторы планируют изучить описанный ингибирующий эффект в экспериментах на животных, для этого вокруг нервного волокна будут размещать имплантат, содержащий нагревающийся полимер.

Помимо этого новую платформу использовали для усовершенствования геометрии и размещения записывающих электродов для последующей разработки имплантата, способствующего регенерации периферических нервов. Обработка информации о регистрируемых нервных импульсах с помощью специального алгоритма позволит вычислять скорость и направление распространения нервных импульсов и таким образом определять, каким нервом они испускаются: чувствительным или двигательным. Это позволит инженерам разработать имплантаты двустороннего действия для улучшения контроля над протезами конечностей.

«Нейроны-на-чипе» позволят создать двигающиеся и чувствительные протезы

«Нейроны-на-чипе» позволят создать двигающиеся и чувствительные протезы

Нейропротезы — то есть имплантаты, содержащие многоконтактные электроды, заменяющие некоторые функции нерва, — могут творить чудеса. Они способны восстановить сенсорные ощущения у космонавтов, помогают парализованным ходить, стимулируя их спинной мозг заставляют притихнуть нейронные сигналы у людей, страдающих хронической болью.

Основная проблема в том, что нейропротезы не способны в полной мере принимать и передавать сигналы от окружающей среды. Наш мозг посылает и получает миллионы нервных импульсов, но при нейропротезировании обычно имплантируют лишь около десятка электродов одному пациенту. Нейроинтерфейсы часто не имеют достаточной разрешающей силы для соответствия сложным схемам обмена информацией в нервной системе пациента

Читать еще:  Назван препарат, максимально снижающий риск рака груди в постменопаузе

Тесты in vitro обычно проводятся на культурах нейронов в чашках Петри, но эти культуры не способны повторить разнообразие нейронов, в том числе их различные типы и диаметры, которые существуют in vivo.

Швейцарские ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны давно уже бьются над решением этой проблемы. Теперь они готовы представить так называемые «нейроны-на-чипе». Эта платформа имеет микроканалы с электродами, соответствующие архитектуре нейронных сетей.

Эксплантированные в эти микроканалы живые нервные волокна точно воспроизводят зрелость и функционирование ткани in vivo. Платформа «нейроны-на-чипе», может быть изготовлена ​​в стерильной лаборатории за пару дней, после чего она будет готова чисто и качественно записывать сотни нервных сигналов.

Ученые протестировали свою разработку с помощью эксплантированных нервных волокон из спинномозговой ткани крыс, опробовав различные стратегии стимуляции и ингибирования нейронной активности. Например, протестировали фототермический метод ингибирования нейронной активности. С помощью данного метода удалось устранить чувствительность сенсорных нейронов, которые вызывают боль. Ученые говорят, что тем же способом могут ингибировать активность любых нейронов.

Исследователи также использовали свою платформу для улучшения геометрии и положения записывающих электродов. Это необходимо, чтобы разработать имплантат, который может восстанавливать периферические нервы. Уже готовый алгоритм сможет рассчитать скорость и направление распространения нервных импульсов — и, следовательно, определить, идет ли данный импульс от сенсорного или моторного нерва. Такие расчеты позволят инженерам разрабатывать двунаправленные имплантаты, например, двигающиеся и чувствительные протезные руки.

Антимракобес: наука, технологии, скептицизм

Credit: Dr. Selene Lomoio/Nikon Small World

И вновь мы возвращаемся к конкурсу Nikon Small World. Перед вами — снимок, удостоенный особой отметки жюри. На нем изображены нейроны гиппокампа мыши в так называемом микрофлюидном устройстве, которое часто называют «орган-на-чипе». Такие устройства, с прокачивающейся через «мини-органы» «кровью» помогают тестировать новые препараты на токсичность, изучать клетки в физиологичном для них положении и так далее.

Читайте материалы нашего сайта в Facebook, ВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

В становлении многоклеточности важную роль играет белок нейроглобин

Российские ученые, экспериментируя с реагрегацией у губок, получили профили экспрессии белков в процессе самосборки целой губки из ее отдельных клеток. Собрав de novo геномы двух видов морских губок, они выяснили, что изменения в профилях экспрессии при самосборке касаются, среди прочего, метаболизма железа в клетках. А эта часть метаболизма, как известно, сигнализирует об изменениях в дыхательных процессах клетки. Показательным примером является синтез нейроглобина, который связывается с кислородом даже активнее гемоглобина.

Российские биохимики поставили интересный эксперимент на губках, позволяющий понять молекулярную базу преображения одноклеточного мира в многоклеточный. Конечно, проблему становления многоклеточных можно рассматривать с разных сторон — с позиций молекулярных реконструкций, с позиций ископаемой летописи, эволюции биохимических инструментов многоклеточности (молекул адгезивного комплекса), экологических триггеров и т. д. Эксперимент замечателен тем, что биологи напрямую исследовали молекулярные механизмы сборки многоклеточного организма из одноклеточной основы. Известно, что если губку механически разделить на отдельные клетки, то она через некоторое время снова соберется в многоклеточный организм. И тогда можно посмотреть, какие факторы включаются при восстановлении многоклеточной формы.

Нужно отметить, что сведений в отношении метаболизма губок плачевно мало, поэтому для беломорских губок — скелетных Halichondria panicea (рис. 1) и бесскелетных Halisarca dujardini — пришлось для начала провести черновую сборку генома Halisarca dujardini и de novo аннотировать белки (см. De novo transcriptome assembly и Genome annotation). А после этого получать и анализировать транскриптомы на разных стадиях реагрегации губок. Весь эксперимент был задуман и выполнен в лаборатории биохимии процессов онтогенеза Института биологии развития им. Н. К. Кольцова (ИБР РАН) под руководством Юлии Люпиной.

Итак, материал собран на ББС, отвезен в лабораторию в ИБР, там часть его сохранили в морозильнике, часть поместили в морские аквариумы с подходящими условиями, а специально подготовленные препараты ядер из клеток губок отправили в Казанский университет для прочтения геномов губок. В лабораторных условиях губок Halichondria dujardini растирали до суспензии и пропускали через клеточные фильтры, чтобы не допустить попадания клеточных сгустков в одноклеточную массу. Анализировать транскриптомы (уровень экспрессии генов) и готовить препараты для определения содержания белков из суспензии нужно было немедленно, потому что губки уже через час начинали собираться в агрегаты (как на этом видео). А через сутки в чашках Петри уже находились не отдельные клетки, а множество примморфов (мелких губок с положенными им морфологическими признаками и дифференцировкой клеток). И тогда получали транскриптомы этих образований (рис. 2).

Читать еще:  МРТ наиболее точно предскажет риск смерти от болезней сердца

В транскриптомах обоих видов губок нашелся комплекс белков, связанных с метаболизмом железа. Почему исследователей интересовала эта часть метаболизма? В частности, из-за того, что именно с его повышением на докембрийской планете связывают становление и диверсификацию (разнообразие) многоклеточной жизни. Важно, что в комплексе, обслуживающем и синтез, и метаболизм железосодержащих дыхательных ферментов, выявились гемопротеины нейроглобин и андроглобин (Androglobin). У нейроглобина очень высокое, выше, чем у гемоглобина, сродство к кислороду, и он особенно активен в нейронах нервной системы позвоночных и беспозвоночных животных. Предполагается, что нейроглобин снабжает кислородом нервные клетки, чувствительные к его дефициту, и что он был исходным глобиновым белком у многоклеточных животных, а последующее разнообразие глобинов сложилось после дупликации гена нейроглобина (см. C. Lechauve et al., 2013. Neuroglobins, Pivotal Proteins Associated with Emerging Neural Systems and Precursors of Metazoan Globin Diversity).

Когда сравнили транскриптомы исходных губок, растертых клеток и новообразованных клеточных агрегатов, то оказалось, что нейроглобин начинает активно экспрессироваться на стадии сборки, тогда как у одиночных клеток его экспрессия понижена (рис. 3). Кроме нейроглобина начинают активно синтезироваться некоторые другие белки, задействованные в синтезе дыхательных ферментов, в частности ферритин (FTH1 на рис. 3). Этот белок служит депо для катионов железа, которые по первому метаболическому требованию отдаются на построение гема и поступают в нейроглобин.

Также интересно, что в транскриптомах нашелся специальный белок, регулирующий метаболизм железа (Iron regulatory protein, IRP). В отличие от других многоклеточных организмов, у губок он только один, но зато при образовании клеточных агрегатов его экспрессия утраивается. Кроме того, в клеточных агрегатах замечена повышенная плотность митохондрий, что, очевидно, связано с необходимостью увеличить выработку энергии при морфогенезе (рис. 4).

Всё это вместе позволяет представить (естественно, с известной долей осторожности), как в позднем докембрии губки перешли к многоклеточности. В тех, еще низкокислородных, условиях требовался как можно более эффективный переносчик кислорода в клетках, и таким переносчиком стал нейроглобин. Нейроглобин уже, по-видимому, имелся у хоанофлагеллят, предков губок. А губки рекрутировали его для построения каскадов дыхательных процессов. Это позволило губкам начать многоклеточную эволюцию одними из первых. Вместе с нейроглобином началось совершенствование метаболической системы дыхательных ферментов — с этим связана и дупликация гена нейроглобина, и появление новых вариантов регуляторов железа, а с ними и многое другое. Как и в других случаях, в обслуживании дыхания у многоклеточных нашлись и консервативные гены, очень схожие у всех животных, и очень пластичные, то есть сильно изменившиеся в ряду от губок до позвоночных и человека.

Данная работа видится весьма перспективной для реконструкции молекулярных событий появления многоклеточной жизни, а также для изучения эволюции дыхания у многоклеточных.

Источник: Alexander D. Finoshin, Kim I. Adameyko, Kirill V. Mikhailov, Oksana I. Kravchuk, Anton A. Georgiev, Nicolay G. Gornostaev, Igor A. Kosevich, Victor S. Mikhailov, Guzel R. Gazizova, Elena I. Shagimardanova, Oleg A. Gusev, Yulia V. Lyupina. Iron metabolic pathways in the processes of sponge plasticity // PLoS ONE. 2020. 15(2): e0228722.

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

Нейроны под контролем электроники

НЕЙРОНЫ ПОД КОНТРОЛЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Немецкие и канадские ученые провели исследования одного из базовых элементов для будущих гибридных нейроэлектронных устройств.

Основной структурной единицей нервной системы животных (от муравья до человека) является нервная клетка, нейрон . Регулирование жизнедеятельности животных связано с постоянной циркуляцией последовательностей электрических импульсов в нейрон ных сетях. Хотя существуют различные виды нейрон ов, можно нарисовать обобщенный портрет нервной клетки человека: нейрон состоит из «тела» и отходящих от него ростков — коротких дендрит ов (ветвящихся отростков, воспринимающих сигналы от других нейрон ов, рецептор ных клеток или внешних раздражителей ) и длинного аксон а, основная функция которого — проводить электрические импульсы от тела нейрон а к другим нейрон ам или клеткам. Место контакта аксон а одного нейрон а с дендрит ами или телом другого называется синапс ом; непосредственно в области синапс а передача возбуждения от одного нейрон а к другому происходит химическим путем.

Читать еще:  Антибиотики в оболочке кардиостимулятора защитят от инфекций

Хотя ученым известны общие закономерности обмена информацией между нейрон ами и между нейрон ами и другими клетками (такие, как механизмы формирования и распространения электрохимических сигналов), исследование функционирования сложных нейрон ных сетей — дело очень непростое. Достаточно сказать, что число других нейрон ов, в контакте с которыми находится каждый нейрон , может достигать десятков тысяч (в мозгу человека, например). Было бы желательно иметь в своем распоряжении возможность контролировать деятельность достаточно больших «сообществ» нейрон ов, причем по возможности неповреждающим путем (без введения микроскопических электродов в тело нейрон ов для контроля за их электрической активностью). В принципе такую возможность может дать формирование колоний нейрон ов на поверхности полупроводниковых микросхем, которые использовались бы для стимуляции нервных клеток и контроля за их электрической активностью. В будущем гибридные нейроэлектронные системы, возможно, могли бы найти применение в медицине, и не только.

Эксперименты с нейрон но-полупроводниковыми структурами уже ведутся; исследуются различные простейшие гибридные структуры нейрон /микросхема — возможность стимуляции нейрон ов и регистрации их отклика с помощью «внешней» полупроводниковой электроники, возможность формирования искусственных контактов (являющихся частью микросхемы) между нейрон ами и т.д. Внесла свой вклад в исследования структур типа » нейрон ы на чипе» и немецко-канадская группа [1]. Для экспериментов ученые из Мюнхена и Калгари выбрали нейрон ы, управляющие дыхательной деятельностью улитки прудовой ( Lymnae stagnalis ). Два нейрон а (VD4 и LPeD1) были размещены на полупроводниковой микросхеме, содержащей массив конденсаторов и транзисторов так, чтобы первый нейрон (VD4) располагался над конденсатором, а второй (LPeD1) — над транзистором; конденсаторы и транзиторы были сформированы на кремниевой подложке, и были отделены от слоя электролита, в который погружены нейрон ы, слоем SiO2 толщиной 10 нм. Основной целью исследований была проверка возможности работы с находящимися в контакте с микросхемой и связанных между собой химическим синапс ом нейрон ами, именно, стимулирования нейрон ов и регистрации отклика с помощью полупроводниковой электроники (без применения вживляемых в тело нейрон а микроэлектродов).

С помощью конденсатора стимулировался пресинаптический нейрон VD4, связанный с постсинаптическим нейрон ом LPeD1, возбуждение которого регистрировалось с помощью транзистора. Для сравнения исследователи работали и с микроэлектродами, вводимыми в один или оба нейрон а. Ими было показано, что в таких условиях формируется полноценный химический синапс , а стимуляция нейрон а VD4 с помощью конденсатора ничем не хуже стимуляции с помощью электрода, а с помощью полевого транзистора под нейрон ом LPeD1 удается регистировать электрическую активность обоих нейрон ов. В качестве примера исследователи наблюдали с помощью транзистора эффект кратковременной памяти в системе из двух нейрон ов. Через несколько секунд после генерации последовательности из пяти стимулирующих импульсов с помощью конденсатора ученые давали еще один стимулирующий импульс — и с помощью транзистора, так же как и в случае использования микроэлектродов, регистрировали отклик в нейрон е LPeD1, » потенциал действия» (электрический сигнал, возникающий и распространяющийся по нервным сетям из-за изменения проницаемости мембран нейрон ов). Единичный стимулирующий импульс может вызвать в таком случае отклик в постсинаптическом нейрон е (в случае, когда подается импульс без предварительной стимуляции, такого отклика нет, так как произошедшие под действием «предварительных» импульсов химические изменения в области синапс а еще не успели сойти на нет, поэтому одного импульса хватает, чтобы вызвать достаточное для генерации электрического сигнала изменение проницаемости мембраны постсинаптического нейрон а.

Исследователи надеются, что формирование двумерного массива транзисторов и конденсаторов и улучшение их характеристик, позволит работать с достаточно большими массивами нейрон ов.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector