Den mänskliga hjärnan är en utsökt komplex, organisk CPU, består av biljoner kopplingar mellan många miljarder neuroner. Att förstå ett så komplicerat organ är ett enormt vetenskapligt uppdrag, och forskare använder ofta förenklade modeller för att avslöja små bitar av det neurologiska pusslet.

I en rapport publicerad i Mikromaskiner , forskare vid University of Tokyo Institute of Industrial Science beskriver sin nya metod för att skapa en sådan modell med hjälp av mikroskopiska plattor för att koppla ihop neuroner en cell i taget.

Forskning om hjärnan involverar vanligtvis användning av in vitro -kulturer, som är samlingar av neuroner som växt ihop i en maträtt. En kultur representerar, i själva verket, en mycket nedtonad version av en hjärna som kan manipuleras kemiskt eller elektriskt. Även om kulturer är oumbärliga för neurologisk forskning, de lider av betydande begränsningar.

"In vitro -odlingsmodeller är viktiga verktyg eftersom de approximerar relativt enkla neuronnätverk och är experimentellt kontrollerbara, ", säger studiens första författare Shotaro Yoshida. "Dessa modeller har varit avgörande för fältet i årtionden. Problemet är att de är väldigt svåra att kontrollera, eftersom neuronerna tenderar att göra slumpmässiga förbindelser med varandra. Om vi ​​kan hitta metoder för att syntetisera neuronnätverk på ett mer kontrollerat sätt, det skulle sannolikt stimulera till stora framsteg i vår förståelse av hjärnan."

Forskarna utnyttjade nyligen insikter om hur neuroner beter sig; nämligen, att geometriska former kan styra neuroner, berätta för dem var och hur de ska växa. I detta fall, laget använde ett syntetiskt neuronhäftande material för att göra en mikroskopisk platta. Plattan är cirkulär med två utskjutande rektanglar, något som liknar en pärla på ett hårt snöre. De fann att denna form styr neuroner att växa på ett mycket definierat sätt:När de placeras på mikroplattan, en neurons cellkropp sätter sig på cirkeln, medan axonet och dendriterna – grenarna som låter nervceller kommunicera med varandra – växer på längden längs rektanglarna.

"Det som var särskilt viktigt i detta system var att ha kontroll över hur neuronerna anslöt, " tillägger Yoshida. "Vi designade mikroplattorna för att vara rörliga, så att genom att trycka runt dem, vi kan fysiskt flytta två neuroner bredvid varandra. När vi väl satt ihop dem, vi kunde sedan testa om neuronerna kunde överföra en signal."

Neuroner kommunicerar med varandra genom synapser, specialiserade strukturer som låter kemiska budbärare resa från en neuron till nästa. Att använda en teknik för att visualisera delarna av en synaps, forskargruppen fann att neuronerna på mikroplatta-ridning verkligen kunde bilda dessa kommunikationsnav. Vad mer var, naven var funktionella:när en neuron lyste upp med elektriskt laddade joner, dess partner tändes exakt samtidigt.

Medan teamet syftar till att ytterligare förfina systemet (endast en liten del av neuroner kunde framgångsrikt kopplas samman genom fungerande synapser), resultaten av studien tyder på ett viktigt steg framåt i att använda mikroplattor för forskning.

"Detta är, som vi förstår det, första gången en mobil mikroplatta har använts för att morfologiskt påverka neuroner och bilda funktionella anslutningar, ", avslutar den ledande utredaren Shoji Takeuchi. "Vi tror att tekniken så småningom kommer att tillåta oss att designa enkla neuronnätverksmodeller med encellsupplösning. Det är en spännande framtid, eftersom det öppnar många nya vägar för forskning som inte är möjliga med vår nuvarande uppsättning experimentella verktyg. "