Koje moždane ćelije su aktivne kada je osoba srećna ili tužna?
Da bi odgovorili na to pitanje, naučnici treba da shvate kako pojedinačne moždane ćelije doprinose široj mreži moždanih aktivnosti i kakvu ulogu svaka ćelija igra u oblikovanju ponašanja i opšteg zdravlja. Do sada je bilo teško dobiti jasan uvid u to kako se moždane ćelije kod živih životinja ponašaju tokom dužeg vremenskog perioda.
Ali grupa Jia Liua na Harvardskoj školi za inženjerstvo i primenjene nauke Džona A. Polsona (SEAS) razvila je elektronski implant koji je prikupljao detaljne informacije o moždanoj aktivnosti iz jedne ćelije od interesa više od godinu dana. Njihovi nalazi, zasnovani na istraživanju na miševima, objavljeni su u Nature Neuroscience.
„Ovo istraživanje rešava fundamentalno pitanje – izazov stvaranja interfejsa između mozga i elektronike koji ne ometa funkciju mozga niti degradira tokom vremena“, kaže Liu, koji je docent bioinženjeringa na SEAS-u, gde vodi laboratoriju posvećenu bioelektronici. .
Neuronaučnici su dugo tražili bolje alate za proučavanje različitih ćelija u mozgu, uključujući neurone (koji prenose električne i hemijske poruke) i mikrogliju (imune ćelije odgovorne za održavanje zdravlja mozga).
„Jedan neuron je veoma mali – samo 10 do 100 mikrometara – i kada se aktivira, njegov akcioni potencijal (naglo u električnoj aktivnosti) traje samo oko dve milisekunde“, kaže Liu.
Određene tehnike mogu otkriti moždanu aktivnost iz specifičnih ćelija od interesa za kratkotrajne eksperimente u malim oblastima mozga, bilo u tkivu koje je nedavno uklonjeno od životinja ili korišćenjem sondi ili optogenetskih tehnika za hvatanje aktivnosti in situ.
Ali ovi uslovi nisu „tačni u životu“ i ne pružaju dovoljno detaljne informacije o električnoj aktivnosti u pojedinačnim ćelijama da bi razumeli kako se aktivnost menja sa godinama i drugim životnim iskustvima, kaže Liu. „Ponašanja, sećanja i bolesti se gomilaju tokom dana, nedelja, meseci i godina.“
Velik deo poteškoća do danas, kaže on, nastao je zbog neusklađenosti mehaničkih svojstava između živog moždanog tkiva i elektronskih uređaja za snimanje. Ovo je sprečilo dugoročno, precizno snimanje kako se neuroni i mikroglija ponašaju tokom vremena.
„Mozak je veoma mekan, poput teksture tofua ili pudinga. Nasuprot tome, elektronika je kruta. Svaki mali pokret mozga može prouzrokovati pomeranje konvencionalnih senzora u živom moždanom tkivu. Ta neusklađenost u strukturi može izazvati ćelije oko mesto implantacije da se degradira.“
Da bi zaobišao problem, Liuov tim, koji je specijalizovan za inženjering nanoelektronike ili „kiborga“ kako bi premostio jaz između živog tkiva i elektronike, razvio je implantabilni uređaj i minimalno invazivnu tehniku za njegovo bezbedno unošenje u mozak. Mrežasti, fleksibilni nanoelektronski senzor je dizajniran da se ubaci u moždano tkivo pomoću „šatla“ od polimera rastvorljivog u vodi. Pre implantacije, uređaj i njegov šatl za isporuku su povezani litografski. Kada je implantat u mozgu, nanosi se jednostavan fiziološki rastvor da bi se rastvorio šatl, ostavljajući samo mrežni elektronski senzor iza.
U studijama na miševima, kada je Liuov tim implantirao svoje nanoelektronske senzore u više područja mozga, proces implantacije i prisustvo senzora rezultirali su minimalnim poremećajem moždanog tkiva. Zatim, ciljajući pojedinačne neurone za analizu, koristili su uređaje za snimanje električne aktivnosti tih istih ćelija tokom života odraslih miševa.
„Čak ni posle godinu dana nismo videli nikakvu degradaciju pojedinačnih neurona ili proliferaciju mikroglije koju smo bili zainteresovani da snimimo sa uređajima“, kaže Liu. „Ne postoji nijedna druga tehnologija koja može da prati potencijal delovanja jedne ćelije iz istih ćelija kod aktivnih životinja tokom nekoliko meseci i godine.
Gledajući unapred, Liu planira da dalje razvija tehniku tako da se moždana aktivnost može prenositi u realnom vremenu sa biološke neuronske mreže na veštačku neuronsku mrežu u računaru radi analize. I, on želi da istraži kako se mrežasti nanoelektronski senzori mogu koristiti za proučavanje fenomena kao što je „neuralna reprezentacija“.
„Kada gledate film ili vidite automobil kako se vozi niz put, vaš mozak generiše električnu aktivnost da bi predstavio te slike“, kaže on. Tokom tog procesa neuronske reprezentacije, mozak kodira senzorne informacije i misli u model spoljašnjih stimulansa.
Liu kaže da, na primer, na raspoloženja utiče neuronska reprezentacija, a posebno je zainteresovan za proučavanje kako promene neuronskih reprezentacija i stanja mozga utiču na fluktuacije raspoloženja tokom vremena.
„Možda je jednog dana napolju hladno i sivo, a vi se osećate nesrećno i neraspoloženo. Drugi dan je sunčano, a vi ste na plaži i odlično ste raspoloženi. Kako se te predstave menjaju u mozgu ne može biti proučavana trenutnom tehnologijom jer nismo bili u mogućnosti da stabilno pratimo aktivnost istog neurona“, kaže on. „Ovo istraživanje potpuno prevazilazi to ograničenje. To je početak nove ere neuronauke.“
Krajnji cilj Liuovog istraživanja je razvoj dijagnostičkih i terapijskih metoda za neurološke, kardiovaskularne i razvojne bolesti.
