Implantater, der overvåger den neurale aktivitet af frøembryoer, når de vokser til rumpehuller, og derefter kunne voksne tilbyde et vindue ind i den udviklende hjerne
En rumpetrul, farvet med immunofluorescens for at visualisere dens interne anatomi, der havde en hjernesporende enhed implanteret i det som et embryo
Hvordan vokser vores hjerne, som er i stand til at generere komplekse tanker, handlinger og endda selvreflektion, ud af i det væsentlige intet? Et eksperiment i rumpehuller, hvor et elektronisk implantat blev indarbejdet i en forløber for deres hjerner på det tidligste embryonale stadium, kan have kantet os tættere på at besvare dette spørgsmål.
Tidligere forsøg på at kigge ind i neuroudviklingsprocesser har været afhængige af værktøjer som funktionel magnetisk resonansafbildning eller hårde elektrodeledninger, der sidder fast i hjernen. Men billeddannelsesopløsningen var for lav til at være nyttig, mens hårde ledninger beskadigede hjernen for meget til at tilbyde noget andet end et øjebliksbillede af et specifikt udviklingsmoment.
Nu har Jia Liu ved Harvard University og hans kolleger identificeret et materiale – en type perflurropolymer – hvis blødhed og konformabilitet matcher hjernen. De brugte det til at bygge et blødt, strækbart net omkring ultrathinledere, som de derefter placerede på den neurale plade – en flad, tilgængelig struktur, der danner det neurale rør, forløberen for hjernen – af afrikansk kløet frø (Xenopus laevis) embryoner.
Da den neurale plade foldede og ekspanderede, blev båndlignende net underlagt i den voksende hjerne, hvor den opretholdt sin funktionalitet, mens den strækkede sig og bøjede sig med vævet. Da forskerne ønskede at måle hjernesignaler, kablede de en del af meshet, der stak ud af kraniet til en computer, der udviste den neurale aktivitet.
Implantatet syntes hverken at skade hjernen eller fremkalde en immunrespons, og embryonerne udviklede sig til rumpetroller som forventet. Mindst en fortsatte med at vokse til en normal frø, siger Liu.
”Det er ret fantastisk at integrere alle materialer og få alt til at fungere,” siger Christopher Bettinger ved Carnegie Mellon University i Pennsylvania. ”Dette er et godt værktøj, der potentielt kan fremme grundlæggende neurovidenskab ved at give biologer mulighed for at måle neurale aktiviteter under udvikling.”
Holdet har to vigtigste takeaways fra eksperimentet. For det første ændrede mønstrene af neurale aktivitet sig som forventet som vævet differentierede til specialiserede strukturer, der er ansvarlige for forskellige funktioner. Det har ikke tidligere været muligt at spore, hvordan et stykke væv selvprogrammer i en beregningsmaskine, siger Liu.
Et andet mysterium var, hvordan et regenererende dyrs hjerneaktivitet ændrer sig efter amputation. En langvarig idé var, at den elektriske aktivitet vender tilbage til en tidligere udviklingstilstand, som teamet bekræftede ved at bruge dets implantat i et eksperiment, der involverede axolotls.
Lius team udvider nu forskningen til at omfatte gnavere. I modsætning til amfibier finder deres udvikling sted i en livmoder, så implantation af nettet kræver in vitro -befrugtning og en mere kompleks måde at måle signaltransmission end ledning af masken op til en computer. Liu håber imidlertid, at den indsigt, der til sidst kunne opnås ved at observere de tidligste stadier af tilstande som autisme og skizofreni i dyremodeller, vil være værd at gøre det.
Lignende enheder kunne potentielt bruges til at overvåge neuromuskulær regenerering efter reparation af skader og rehabilitering, siger Bettinger. ”Samlet set er dette en imponerende Tour de Force, der fremhæver den store potentielle bredde af applikationer til ultra-kompatibel elektronik,” siger han.