Графен ускорил созревание органоидов мозга и позволил им управлять роботом

В Nature Communications опубликован новый метод стимуляции органоидов человеческого мозга, не требующий генетических вмешательств, — он позволяет ускорить их созревание и управлять активностью при помощи графена.

Авторы воспользовались оптоэлектронными свойствами графена и его способностью преобразовывать свет в электричество. Они руководствовались тем, что свет позволяет с высокой точностью контролировать активность нейронов, однако технологии с его использованием (скажем, оптогенетика) требуют генетических модификаций, так как далеко не все нейроны чувствительны к свету изначально. Чтобы работать с естественной активностью клеток, их реакцию на свет обеспечили за счет графена. Платформу назвали GraMOS — graphene-mediated optical stimulation.

Синтезировав графен, ученые охарактеризовали его с помощью электронной микроскопии, чтобы убедиться в пригодности для дальнейших экспериментов. Затем они выращивали на графеновой подложке индуцированные плюрипотентные стволовые клетки человека (hiPSC). Исследование клеток после трех недель культивирования указало на биосовместимость полученного материала.

Биосовместимость подтвердилась и в опытах с нейронами, полученными из hiPSC. Клетки хорошо росли на графеновой подложке и формировали синапсы друг с другом — об этом свидетельствовали результаты микроскопии. Активность нейронов также не отличалась от нормальной.

Помимо биосовместимости, ученые оценили и оптоэлектронные свойства графеновых интерфейсов. Их облучали светом различного спектра, регистрируя фотоиндуцированные токи на расстоянии около 5 мкм от места облучения. Как и ожидалось, амплитуда фототоков зависела от интенсивности и длины волны света, а также количества слоев графена.

Культивируя первичные кортикальные нейроны на графеновых подложках с использованием световых сигналов и без, ученые подтвердили, что разработанная платформа позволяет контролировать активность нейронов. Короткие световые импульсы индуцировали одиночные потенциалы действия, регистрируемые методом пэтч-кламп, а длительное воздействие света вызывало серии таких потенциалов.

Кроме того, исследователи продемонстрировали, что культивация органоидов на графеновых подложках с периодической стимуляцией светом ускоряла их созревание. Это помогло избежать распространенной проблемы — нейроны в органоидах, выращенных из hiPSC, часто демонстрируют незрелую морфологию и активность. Однако при культивации на графене они созревали и формировали плотные сети контактов. Доктор Елена Молоканова, первый автор статьи, комментирует это так: «Используя графен и свет, мы подтолкнули нейроны к тому, чтобы быстрее формировать связи и созревать без традиционных оптогенетических инструментов. Это легкий импульс, заставляющий их расти быстрее, — и он крайне важен для экспериментального изучения возрастных заболеваний».

Для проверки того, как новая платформа поможет оценивать функциональность и коннективность нейронных сетей, авторы применили ее для раннего функционального фенотипирования нейронов в модели наследственной болезни Альцгеймера.

Болезнь Альцгеймера моделировали на органоидах из hiPSC, полученных от пациентов. Даже в таком случае стимуляция при помощи GraMOS улучшала пространственную организацию нейронной сети и плотность связей по сравнению с органоидами, выращенными без стимуляции. Однако у модельных органоидов все же наблюдались функциональные отличия от нормы — они заключались в сниженной коннективности сети и нарушениях возбудимости при стимуляции.

Ученые продемонстрировали и более необычное применение GraMOS — они интегрировали органоиды из нейронов в управление роботом. Система обратной связи состояла из четвероногого робота PuppyPi4, модуля оптической стимуляции и процессора со специальным ПО для управления. Связь между роботом и системой управления осуществлялась по высокоскоростному WiFi.

В ходе эксперимента робот должен был пройти трассу, избегая установленных на ней вертикальных препятствий. Для их обнаружения он был оснащен датчиком LiDAR (ToF), который передавал сигнал «тревоги» в систему при обнаружении препятствия на расстоянии 25 см. Это запускало заранее подготовленный протокол оптической стимуляции органоидов, выращенных на графене.

Во всех десяти испытаниях вызванная светом активация органоидов, включенных в систему обратной связи, обеспечивала 100%-ное избегание препятствий. Суммарное время обнаружения преграды, генерации команды, передачи сигнала роботу и выполнения полученной команды не превышало 50 мс.

Авторы заключают: созданная ими платформа GraMOS обладает рядом ключевых преимуществ: она не требует генетической или структурной модификации клеток, ее механизм обеспечивает безопасную физиологическую стимуляцию, а благодаря широкому спектру поглощения графена для стимуляции можно использовать большой диапазон длин волн. Все это позволяет осуществлять комплексную нейромодуляцию и интегрировать систему с другими оптическими технологиями в самых разнообразных сферах применения. 

Соединенные аксонами органоиды мозга обладают кратковременной пластичностью

Ученые записали шорох бактериальных клеток на графене