Ερευνητές του Northwestern University ανέπτυξαν μια εύκαμπτη συσκευή-πλέγμα που τυλίγεται γύρω από εγκεφαλικά οργανοειδή και καταγράφει ηλεκτρική δραστηριότητα από σχεδόν ολόκληρη την επιφάνειά τους. Η ανακάλυψη ανοίγει νέους δρόμους για τη μελέτη νευρολογικών ασθενειών και τη δοκιμή φαρμάκων σε συνθήκες που μιμούνται τον ανθρώπινο εγκέφαλο.
Τα εγκεφαλικά οργανοειδή — μικροσκοπικές δομές από ανθρώπινα κύτταρα που αναπτύσσονται σε εργαστήριο — έχουν γίνει ένα από τα πιο χρήσιμα εργαλεία της νευροεπιστήμης. Μεγέθους αρακά, αυτά τα «μίνι εγκέφαλοι» περιέχουν νευρώνες που επικοινωνούν μεταξύ τους με ηλεκτρικές ώσεις, μιμούμενοι σε μεγάλο βαθμό τη λειτουργία του ανθρώπινου εγκεφάλου κατά τα πρώτα στάδια ανάπτυξής του. Κάποια κατασκευάζονται από κύτταρα ασθενών που φέρουν γενετικές μεταλλάξεις συνδεδεμένες με σχιζοφρένεια ή αυτισμό, καθιστώντας τα ανεκτίμητα για την κατανόηση αυτών των παθήσεων.
Το πρόβλημα ήταν πάντα η καταγραφή. Οι παραδοσιακές συσκευές ηλεκτροδίων είναι πολύ μεγάλες και άκαμπτες για να προσαρμοστούν σε μια τέτοια σφαιρική δομή. Οι πιο σύγχρονες εύκαμπτες εκδοχές τους καλύπτουν μόνο ένα μικρό τμήμα της επιφάνειας, αφήνοντας στο σκοτάδι μεγάλο μέρος της νευρικής δραστηριότητας. Αυτό είναι σαν να προσπαθείς να καταλάβεις μια ολόκληρη ορχήστρα ακούγοντας μόνο τα βιολιά.
Η λύση που πρότεινε η ομάδα του Northwestern έχει κάτι από origami και κάτι από pop-up βιβλίο. Η συσκευή ξεκινά ως επίπεδο πλέγμα σε σχήμα λουλουδιού — μικρότερο από ένα κέρμα του ενός δολαρίου — και στη συνέχεια μετασχηματίζεται σε ένα τρισδιάστατο, αναπνέον δίχτυ που αγκαλιάζει απαλά το οργανοειδές. Τα 240 μικροηλεκτρόδιά της, καθένα μόλις 10 μικρόμετρα σε διάμετρο — περίπου το μέγεθος ενός κυττάρου — κατανέμονται ομοιόμορφα σε όλη την επιφάνεια, καλύπτοντας περίπου το 91% της. Το πορώδες σχέδιο δεν εμποδίζει τη ροή θρεπτικών ουσιών, επιτρέποντας στο οργανοειδές να επιβιώνει και να αναπτύσσεται κανονικά.
Με αυτό το εργαλείο, η ομάδα κατάφερε να ανιχνεύσει κυματισμούς ηλεκτρικής δραστηριότητας που θυμίζουν εγκεφαλικά κύματα — ένα φαινόμενο που δεν είχε ποτέ παρατηρηθεί σε τέτοια πληρότητα σε εγκεφαλικά οργανοειδή. Όταν οι ερευνητές χορήγησαν βοτουλινική τοξίνη, μια ουσία γνωστή για την καταστολή της νευρικής επικοινωνίας, τα κύματα αυτά διαταράχθηκαν δραματικά — ακριβώς όπως θα συνέβαινε σε έναν πραγματικό εγκέφαλο. Αυτό υποδηλώνει ότι η νευρική αρχιτεκτονική των οργανοειδών μοιάζει περισσότερο με τη δική μας από ό,τι πιστεύαμε.
Η σημασία αυτής της ανακάλυψης ξεπερνά τα όρια της βασικής έρευνας. Η δυνατότητα παρακολούθησης ολόκληρου του «εγκεφάλου» σε πραγματικό χρόνο, σε συνδυασμό με τη χορήγηση φαρμάκων μέσα από το ίδιο το πλέγμα, μετατρέπει τη συσκευή σε μια πλατφόρμα δοκιμών με τεράστιες δυνατότητες. Ασθένειες όπως το Πάρκινσον, η σκλήρυνση κατά πλάκας και η ALS θα μπορούσαν να μελετηθούν σε συνθήκες πολύ πιο κοντά στην ανθρώπινη βιολογία από ό,τι επιτρέπουν τα σημερινά μοντέλα. Το ερώτημα που μένει ανοιχτό είναι πόσο πολύπλοκη μπορεί να γίνει η δραστηριότητα αυτών των μίνι εγκεφάλων — και τι ακριβώς σημαίνει αυτό για τα όρια της έρευνάς μας.
