פריצת דרך במדעי המוח: נוירונים במבחנה מפגינים התנהגות מתקדמת דמוית מוח

חוקרים מאוניברסיטת טוהוקו השתמשו במכשירים מיקרופלואידיים כדי לגדל נוירוני מעבדה המחקים רשתות מוח טבעיות, ומציגים פלסטיות דמוית למידה. חידוש זה יכול לחולל מהפכה במחקר מדעי המוח על ידי מתן מודלים טובים יותר ללימוד זיכרון ולמידה. קרדיט: Hakuba Murota et al.

מדענים מאוניברסיטת טוהוקו יצרו רשתות עצביות שצמחו במעבדה תוך שימוש במכשירים מיקרופלואידיים, מחקים פעילות מוחית טבעית ומאפשרים מחקרים מתקדמים של למידה וזיכרון.

הביטוי "נוירונים שיורים יחד, חוטים יחד" מקפל את עקרון הפלסטיות העצבית במוח האנושי. עם זאת, נוירונים הגדלים בצלחת מעבדה אינם מצייתים בדרך כלל לכללים אלה. במקום זאת, נוירונים מתורבתים יוצרים לעתים קרובות רשתות אקראיות ובלתי מובנות שבהן כל התאים יורים בו זמנית, ולא מצליחים לחקות את הקשרים המאורגנים והמשמעותיים הנראים במוח אמיתי. כתוצאה מכך, מודלים במבחנה אלו מספקים רק תובנות מוגבלות לגבי האופן שבו למידה מתרחשת במערכות חיות.

מה אם, לעומת זאת, נוכל ליצור נוירונים במבחנה המשכפלים באופן הדוק יותר התנהגות מוחית טבעית?

צוות מחקר בעשתה צעד משמעותי בכיוון זה. באמצעות מכשירים מיקרופלואידיים, הם הנדסו רשתות נוירונים ביולוגיות עם דפוסי קישוריות הדומים לאלה של מערכות עצבים של בעלי חיים. רשתות אלו הפגינו דינמיקה פעילות מורכבת והדגימו את היכולת להיות "להגדיר מחדש" באמצעות גירוי חוזר. תגלית פורצת דרך זו מציעה כלי חדש ומבטיח לחקר הלמידה, הזיכרון והמנגנונים הבסיסיים של פלסטיות עצבית.

התוצאות פורסמו באינטרנט בטכנולוגיות חומרים מתקדמותב-23 בנובמבר 2024.

(א) סכמטי של המכשיר המיקרופלואידי ותרבות התאים. (ב) צילום של רשתות נוירונים. נוירונים מופרדים על ידי שטחים מרובעים, ואלה מחוברים דרך המיקרו-ערוצים. קרדיט: Hakuba Murota et al.

אנסמבלים עצביים: הבסיס של למידה וזיכרון

באזורים מסוימים במוח, המידע מקודד ומאוחסן כ"הרכבים עצביים", או קבוצות של נוירונים שיורים יחד. הרכבים משתנים על סמך אותות קלט מהסביבה, מה שנחשב לבסיס העצבי לאופן שבו אנו לומדים וזוכרים דברים. עם זאת, לימוד תהליכים אלה באמצעות מודלים של בעלי חיים קשה בגלל המבנה המורכב שלו.

"הסיבה שיש צורך לגדל נוירונים במעבדה היא בגלל שהמערכות הרבה יותר פשוטות", מעיר Hideaki Yamamoto (אוניברסיטת טוהוקו), "נוירונים שגדלו במעבדה מאפשרים למדענים לחקור כיצד למידה וזיכרון פועלים בתנאים מבוקרים מאוד. יש דרישה לנוירונים האלה להיות כמה שיותר קרובים לדבר האמיתי".

(א) פעילויות של נוירונים ואנסמבלים נוירונים שהופיעו במהלך הניסוי. כל נקודה אפורה מציינת את הפעילות האישית של הנוירון. קווי צבע בתחתית מייצגים הרכבים נוירונים שזוהו. (ב) מפות מרחביות של נוירונים השייכים לאנסמבלים נוירונים. (ג) השינויים בתדירות ההתרחשות של הרכבים עצביים במהלך ניסויים. התדירות של כל אנסמבל משתנה לפני ואחרי גירוי. קרדיט: Hakuba Murota et al.

צוות המחקר יצר מודל מיוחד באמצעות מכשיר מיקרופלואידי - שבב קטן עם מבנים תלת מימדיים זעירים. מכשיר זה אפשר לנוירונים להתחבר וליצור רשתות דומות לאלו במערכת העצבים של בעלי החיים. על ידי שינוי הגודל והצורה של המנהרות הזעירות (הנקראות מיקרו-תעלות) המחברים את הנוירונים, הצוות שלט באיזו חזקה הנוירונים מקיימים אינטראקציה.

החוקרים הוכיחו שרשתות עם מיקרו-ערוצים קטנים יותר יכולות לשמור על הרכבים נוירונים מגוונים. לדוגמה, הנוירונים במבחנה שגדלו במכשירים מסורתיים נטו להציג רק אנסמבל בודד, בעוד אלו שגדלו עם המיקרו-ערוצים הקטנים יותר הראו עד שישה אנסמבלים. בנוסף, הצוות מצא שגירוי חוזר מווסת את ההרכבים הללו, ומראה תהליך הדומה לפלסטיות עצבית, כאילו התאים נקבעים מחדש.

טכנולוגיית מיקרו-נוזל זו בשילוב עם נוירונים במבחנה יכולה לשמש בעתיד לפיתוח מודלים מתקדמים יותר שיכולים לחקות תפקודים מוחיים ספציפיים, כמו יצירת וזיכרונות.

התייחסות: "שליטה מיקרופלואידית מדויקת של אנסמבלים עצביים ברשתות קורטיקליות מתורבתות" מאת Hakuba Murota, Hideaki Yamamoto, Nobuaki Monma, Shigeo Sato ואיומי Hirano-Iwata, 23 בנובמבר 2024,טכנולוגיות חומרים מתקדמות.
DOI: 10.1002/admt.202400894