Можно ли заставить нейроны расти целенаправленно, чтобы подробно изучить то, как именно они будут это делать и объединяться друг с другом? Учёные из НИИ Нейронаук в Нижнем Новгороде смогли реализовать такую задачу с помощью своих микрофлюидных устройств, которые состояли из разных микрокамер, соединённых под разными углами. О результатах своих экспериментов они рассказали в журнале Scientific Reports.
Архитектура нейрональных сетей в мозге – это один из основных механизмов, с помощью которых организуются и поддерживаются его функции. Есть участки мозга, состоящие из хорошо организованных слоев нейронов, соединенных однонаправленными синаптическими связями (например, кора и гиппокамп), есть менее упорядоченные структуры. Реинжиниринг нейронных цепей с гетерогенной сетевой структурой в культуре может раскрыть фундаментальные механизмы информационных функций этих цепей.
Специально для этого нижегородские учёные провели исследование, в рамках которого разработали микрофлюидное устройство с ассиметричными микроканалами. Сделали это для того, чтобы проследить динамику роста первичных гиппокампальных нейронов и выявить влияния формы каналов, в которых их растят, на направления роста нервных клеток. Таким образом, устройство представляет собой набор камер с микроканалами различных форм – симметричных и ассиметричных.
Исследователи пытались не только выявить влияние формы канала на особенности нейронального роста, но и искали оптимальную геометрию камер для того, чтобы растущие в соседних каналах клетки могли образовать связи друг с другом для образования экспериментального «коннектома». Для подтверждения связи между нейронами в жидкостные системы были вмонтированы микроэлектроды, чтобы определять электрическую активность наблюдаемых клеток и фиксировать их «общение» через микроканалы между двумя отделениями.
Вот что помогли обнаружить эти мудрёные камеры: по результатам фотосъёмки каждые 20 минут в течение нескольких дней получались данные о стратегиях нейронального роста. Через двое суток после начала культивирования клетки начинали высвобождать дендриты в камеры в направлении от «Источника» к «Цели».
Обнаружено, что нейриты, идущие из камеры «источник» без проблем проросли в узкие отверстия микроканалов, а те, которые росли из «целевой» камеры, проходили, как правило, одно узкое место, но затем шли по широким боковым стенкам канала, где встречали ловушку. Интересно, что в некоторых случаях нейриты не останавливались и не втягивались, а продолжали искать возможные направления и могли изменять угол роста до 180°.
После исследователи оценивали эффективность направленного роста для каждого типа каналов. Для этого определялось расстояние, на котором аксон из камеры «источник» встречался с отростком встречного нейрона. Эта длина могла характеризовать эффективность микроканала для нейронального роста. Помимо этого оценивался и средний угол поворота нейрона для достижения цели.
Ещё исследователи решили измерить скорость роста аксона, что тоже представляет собой немаловажный фактор в прохождении таких сложных отверстий.
Установлено, что максимальная скорость роста наблюдалась в треугольной форме сечений с самым малым размером. Этот результат объясняется малой внутренней площадью сечения, что ограничивает траекторию роста внутри канала. Кроме того, узкие места – довольно гладкие, что помогало поддерживать динамику удлинения без зацепок за посторонние объекты и шероховатости.
Также для направленного роста важно угловое отклонение нейронов. Посмотрите еще раз на первый и второй рисунки: после нескольких изгибов нейрон начинает расти более или менее прямо. Это обеспечивалось тем, что нейроны отклонялись не более чем на 30 градусов, а то и вовсе росли прямо после прохождения микроканалов.
В ходе роста нейроны демонстрировали электрическую активность. Особенно при прохождении через узкие микроканалы, видимо, для поиска навстречу растущих нейронов. В итоге эта активность приводила к улучшению поиска и корректировке направленности роста аксонов по направлению друг к другу. Чем электроактивнее был нейрон, тем выше оказывались его шансы на образование синапсов.
В этой объёмной работе исследователи показали роль различных факторов в выборе стратегии роста для нейронов. Возможно, это поможет лучше понять системы организации коры, гиппокампа и, может быть, даже менее упорядоченных структур головного мозга. Кстати, интересно, будет ли влиять реинжиниринг на функциональные особенности нейронных сетей?