پژوهشگران موفق به طراحی یک مش الکترونیکی انعطاف‌پذیر و سه‌بعدی شده‌اند که می‌تواند به طور کامل با سطح مغزهای مینیاتوری انسانی رشد‌یافته در آزمایشگاه منطبق شود و فعالیت الکتروفیزیولوژیک آنها را در مقیاسی بی‌سابقه ثبت کند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، این فناوری قادر است ۹۱ درصد سیگنال‌های سطح یک ارگانوئید عصبی را پایش کند؛ دستاوردی که یکی از چالش‌های دیرینه را در مطالعه این بافت‌های شبه‌مغزی برطرف می‌سازد.
ارگانوئیدهای عصبی انسانی که از سلول‌های بنیادی مشتق می‌شوند، امروز به ابزارهای کلیدی برای مدل‌سازی مغز و بیماری‌های عصبی تبدیل شده‌اند. این ساختارها، شبکه‌هایی از نورون‌های به‌هم‌پیوسته ایجاد می‌کنند و ریتم‌های الکتریکی هماهنگ و پیچیده بروز می‌دهند. با وجود این، اغلب سامانه‌های ثبت سیگنال موجود، مسطح و صلب هستند و تنها امکان نمونه‌برداری نقطه‌ای و محدود را فراهم می‌کنند. این ناسازگاری ساختاری مانع از مشاهده نحوه انتشار فعالیت در کل شبکه عصبی شده و خطر نادیده گرفتن الگوهای هم‌زمانی گسترده و ارتباطات مقیاس‌کلان میان نورون‌ها را افزایش داده است.
حتما بخوانید: دانشمندان راهی برای غیرفعال کردن ژن‌های سرطانی پیدا کردند
اکنون پژوهشگران Northwestern University و Shirley Ryan AbilityLab با ساخت مش الکترونیکی انعطاف‌پذیر خود که از حالت مسطح به یک چارچوب سه‌بعدی تبدیل می‌شود، این محدودیت را پشت سر گذاشته‌اند؛ چارچوبی که به طور ملایم سطح کروی مغز را دربر می‌گیرد و امکان پایش فراگیر فعالیت عصبی را فراهم می‌کند. جان آ. راجرز، رهبر توسعه این دستگاه توضیح داد: «ارگانوئیدهای مشتق از سلول‌های بنیادی انسانی به دلیل توانایی خود در مدل‌سازی پاسخ بافت‌ها به داروها و درمان‌های نوظهور، به کانون توجه تحقیقات زیست‌پزشکی تبدیل شده‌اند.» وی تصریح کرد: «یکی از نقاط ضعف کلیدی، فقدان فناوری سخت‌افزاری بود که بتواند این نمونه‌های کوچک از ارگان‌های انسانی را هم‌زمان بررسی، تحریک و دستکاری کند.»
برای مطالعه بیشتر: ساخت پیشرفته‌ترین ارگانوئید نخاعی انسان برای بازگرداندن توانایی حرکت به بیماران
آزمایش‌های اولیه مش الکترونیکی انعطاف‌پذیر
چارچوب مش الکترونیکی انعطاف‌پذیر شامل ۲۴۰ میکروالکترود مجزا است؛ هر کدام تنها ۱۰ میکرون، یعنی معادل یک سلول قطر دارند. طراحی متخلخل آن، امکان عبور اکسیژن و مواد مغذی را فراهم می‌کند و در عین حال تماس الکتریکی پایدار حفظ می‌شود. دکتر کالین فرانز، مسئول توسعه ارگانوئید بیان کرد: «ارگانوئیدهای عصبی انسانی، بافت‌های زنده سه‌بعدی هستند که مدارهای عصبی فعال ایجاد می‌کنند و از طریق سیگنال‌های الکتریکی با هم ارتباط برقرار می‌نمایند. با ایجاد مش الکترونیکی انعطاف‌پذیر منطبق با هندسه ارگانوئید، اکنون امکان ثبت و تحریک صدها نقطه از سطح آن به طور هم‌زمان فراهم شده است و می‌توان فعالیت عصبی را در سطح شبکه کامل بررسی کرد.»
آزمایش‌های اولیه با ۸ یا ۳۲ الکترود، ثبت فعالیت محدود و موضعی را نشان داد، اما با آرایه کامل ۲۴۰ کاناله، پژوهشگران امواج نوسانی هماهنگ را در سراسر ارگانوئید مشاهده کردند. موقعیت سه‌بعدی هر الکترود، امکان تولید نقشه‌های دقیق فعالیت را فراهم می‌آورد. راجرز تاکید کرد: «ساختار دستگاه باید فرایندهای متابولیک بافت را پشتیبانی کند تا زنده بماند؛ ارگانوئید باید نفس بکشد و سخت‌افزار نباید رشد یا عملکرد آن را محدود کند.»
علاوه بر پایش سیگنال‌ها، مش الکترونیکی انعطاف‌پذیر قادر به ارائه تحریک الکتریکی است. در آزمایش‌های دارویی، مشاهده شد که ۴-آمینوپیریدین باعث افزایش سیگنال‌دهی شد، در حالی که توکسین بوتولینوم شلیک‌های هماهنگ را مختل کرد. این نتایج نشان می‌دهد که سیستم می‌تواند تغییرات معنادار در شبکه‌های عصبی زنده را شناسایی کند.
برای مطالعه بیشتر: آیا ام‌اس تنها یک بیماری است؟
همچنین تیم پژوهشی نشان داد که تغییر طراحی شبکه می‌تواند رشد ارگانوئیدها را شکل دهد و ساختارهای غیرکروی مانند مکعب و شش‌ضلعی تولید کند، قابلیتی که امکان مونتاژ ماژولار بافت‌های متنوع را برای تحقیقات آینده فراهم می‌آورد. با توجه به نقش روزافزون ارگانوئیدها در علوم عصبی و توسعه دارو، ابزارهای نظارتی کامل می‌توانند تعیین کنند که آیا درمان‌های آزمایشی واقعاً عملکرد هماهنگ مغز را بازیابی می‌کنند یا خیر.
این مطالعه در نشریه Nature Biomedical Engineering منتشر شده است.
