Ключові клітини мозку, нейрони, утворюють складні мережі шляхом обміну сигналами, що дає змогу мозку вчитися та адаптуватися. Розуміння того, як саме нейрони формують ці мережі, є ключовим для вивчення неврологічних розладів, таких як хвороба Альцгеймера, Паркінсона та аутизм.
Традиційні методи вирощування нейронів у чашках Петрі не забезпечують умов, які імітують природне середовище мозку. На відміну від плоскої та жорсткої поверхні чашок Петрі, мозок має м’яку та волокнисту структуру.
Для розв’язання цієї проблеми дослідники розробили 3D-друковане «мозкоподібне середовище», у якому нейрони можуть рости та розвиватися подібно до того, як це відбувається у справжньому мозку.
Використовуючи технологію двофотонної полімеризації, вчені створили масиви наностовпчиків, які імітують м’яку нервову тканину і волокна позаклітинного матриксу мозку. Кожен стовпчик у тисячу разів тонший за людську волосину.
Змінюючи ширину і висоту стовпчиків, дослідники змогли налаштувати їхні механічні властивості, створивши відчуття м’якого, подібного до мозку середовища для нейронів.
Під час дослідження вчені виростили три різні типи нейронних клітин на цих наностовпчиках. На відміну від традиційних чашок Петрі, де нейрони росли хаотично, на 3D-друкованих масивах нейрони формували організовані мережі під певними кутами.
Дослідження також виявило нові відомості про конуси росту нейронів — структури, які спрямовують зростаючі нейрони в пошуках нових зв’язків. У 3D-друкованому середовищі конуси росту нейронів активно досліджували навколишній простір, формуючи довгі відростки, що більше нагадує природний процес, який відбувається в мозку.
Ба більше, вчені виявили, що 3D-друковане середовище сприяє дозріванню нейронів. Клітини, вирощені на наностовпчиках, демонстрували вищий рівень маркерів зрілих нейронів порівняно з клітинами, вирощеними на плоских поверхнях.
Ця технологія пропонує унікальну можливість для вивчення відмінностей між здоровими мозковими мережами і мережами, ураженими неврологічними розладами. У майбутньому вона може бути використана для розробки нових методів лікування цих захворювань.
Дослідники зазначають, що 3D-друкована модель має високу відтворюваність і дає змогу точніше контролювати умови, в яких ростуть нейрони, порівняно з використанням гелевих матриць, які можуть відрізнятися від партії до партії.
Ця робота відкриває нові горизонти у вивченні мозку і нейронних мереж, а також дає надію на створення ефективних методів боротьби з неврологічними захворюваннями.