연구원들은 혁신적인 기록 기술을 사용하여 오가노이드가 외부 감각 자극에 반응한다는 것을 보여줍니다.

엔지니어와 신경과학자 팀이 생쥐에 이식된 인간의 뇌 오가노이드가 동물의 피질과 기능적으로 연결되고 외부 감각 자극에 반응한다는 것을 처음으로 입증했습니다. 이식된 오가노이드는 주변 조직과 같은 방식으로 시각적 자극에 반응했으며, 투명한 그래핀 미세 전극 배열과 2광자 이미징을 결합한 혁신적인 실험 설정 덕분에 연구원들이 몇 달 동안 실시간으로 관찰할 수 있었습니다.

캘리포니아 대학교 샌디에고 전기 및 컴퓨터 공학과 교수인 Duygu Kuzum이 이끄는 팀은 저널 12월 26일자에 연구 결과를 자세히 설명했습니다. 네이처 커뮤니케이션즈. Kuzum의 팀은 Boston University의 Anna Devor 연구실의 연구원들과 협력했습니다. UC San Diego의 Alysson R. Muotri 연구실; 그리고 Salk Institute의 Fred H. Gage의 연구실.

인간 피질 오가노이드는 일반적으로 피부 세포에서 파생되는 인간 유도 만능 줄기 세포에서 파생됩니다. 이 뇌 오가노이드는 최근 인간 뇌의 발달과 다양한 신경학적 상태를 연구하는 유망한 모델로 부상했습니다.

그러나 지금까지 어떤 연구팀도 마우스 피질에 이식된 인간 뇌 오가노이드가 동일한 기능적 특성을 공유하고 동일한 방식으로 자극에 반응할 수 있음을 입증할 수 없었습니다. 이는 뇌 기능을 기록하는 데 사용되는 기술이 제한되어 있고 일반적으로 몇 밀리초 동안만 지속되는 활동을 기록할 수 없기 때문입니다.

UC San Diego가 이끄는 팀은 투명 그래핀으로 만든 미세 전극 배열과 최대 1mm 두께의 살아있는 조직을 이미지화할 수 있는 현미경 기술인 2광자 이미징을 결합한 실험을 개발하여 이 문제를 해결할 수 있었습니다.

논문의 제1저자이자 박사인 매디슨 윌슨(Madison Wilson)은 “다른 어떤 연구도 광학적으로 전기적으로 동시에 기록할 수 없었다”고 말했다. UC San Diego의 Kuzum 연구 그룹 학생. “우리의 실험은 시각적 자극이 주변 피질의 반응과 일치하는 오가노이드에서 전기생리학적 반응을 불러일으킨다는 것을 보여줍니다.”

연구원들은 오가노이드를 연구하기 위한 혁신적인 신경 기록 기술의 조합이 뇌 발달 및 질병에 대한 모델로서 오가노이드를 종합적으로 평가하고 소실, 퇴화 또는 손상된 뇌 영역의 기능을 복원하기 위한 신경 보철물로서의 사용을 조사하는 고유한 플랫폼 역할을 하길 희망합니다. .

Kuzum은 “이 실험 설정은 발달 뇌 질환의 기저에 있는 인간 신경망 수준의 기능 장애를 조사할 수 있는 전례 없는 기회를 열어줍니다.”라고 말했습니다.

쿠줌 연구실은 2014년 투명 그래핀 전극을 처음 개발했고 이후 기술을 발전시켜 왔다. 연구진은 그래핀 전극의 임피던스를 100배 낮추면서도 투명하게 유지하기 위해 백금 나노입자를 사용했다. 저임피던스 그래핀 전극은 거시적 규모와 단일 세포 수준 모두에서 신경 활동을 기록하고 이미지화할 수 있습니다.

이식된 오가노이드 위에 이러한 전극 배열을 배치함으로써 연구자들은 이식된 오가노이드와 주변 숙주 피질 모두에서 전기적으로 신경 활동을 실시간으로 기록할 수 있었습니다. 2광자 이미징을 사용하여 그들은 또한 마우스 혈관이 임플란트에 필요한 영양분과 산소를 ​​제공하는 오가노이드로 성장하는 것을 관찰했습니다.

연구원들은 오가노이드가 이식된 쥐에 시각적 자극(광학 백색광 LED)을 적용했고, 쥐는 2광자 현미경으로 관찰했습니다. 그들은 오가노이드가 주변 조직과 같은 방식으로 자극에 반응하고 있음을 보여주는 오가노이드 위의 전극 채널에서 전기 활동을 관찰했습니다. 기능적 연결을 통해 이식된 오가노이드 영역에서 시각 피질에 가장 가까운 영역에서 전파되는 전기적 활동. 또한 저잡음 투명 그래핀 전극 기술을 통해 오가노이드와 주변 마우스 피질의 스파이킹 활동을 전기적으로 기록할 수 있었습니다. 그래핀 기록은 감마 진동의 힘과 오가노이드에서 마우스 시각 피질의 느린 진동에 이르기까지 스파이크의 위상 잠금이 증가했음을 보여주었습니다. 이러한 발견은 오가노이드가 이식 3주 후에 주변 피질 조직과 시냅스 연결을 확립하고 마우스 뇌로부터 기능적 입력을 받았다는 것을 시사합니다. 연구원들은 11주 동안 이러한 만성적인 다중 모드 실험을 계속했으며 이식된 인간 뇌 오가노이드와 숙주 마우스 피질의 기능적 및 형태학적 통합을 보여주었습니다.

다음 단계에는 신경 질환 모델을 포함하는 더 긴 실험과 오르가노이드 뉴런의 스파이킹 활동을 시각화하기 위해 실험 설정에 칼슘 이미징을 통합하는 것이 포함됩니다. 다른 방법을 사용하여 오르가노이드와 마우스 피질 사이의 축삭 돌기를 추적할 수도 있습니다.

“우리는 더 나아가 줄기 세포와 신경 기록 기술의 조합이 생리학적 조건에서 질병을 모델링하고, 환자별 오가노이드에 대한 후보 치료법을 검토하고, 특정 손실, 퇴화 또는 손상된 오가노이드를 복원할 수 있는 오가노이드의 잠재력을 평가하는 데 사용될 것이라고 생각합니다. 뇌 영역”이라고 Kuzum은 말했습니다.

이 작업은 National Institutes of Health와 노르웨이 연구 위원회, National Science Foundation을 통해 자금을 지원받았습니다.

스토리 출처:

재료 에 의해 제공 캘리포니아 대학교 – 샌디에이고. Ioana Patringenaru가 쓴 원본. 참고: 내용은 스타일과 길이에 따라 편집될 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/12/221229115657.htm