Головастики-киборги помогают узнать, как начинается развитие мозга

Как наш мозг, способный генерировать сложные мысли, действия и даже саморефлексию, вырастает практически из ничего? Эксперимент на головастиках, в ходе которого электронный имплантат был внедрен в предшественник их мозга на самой ранней эмбриональной стадии, возможно, приблизил нас к ответу на этот вопрос.

Прошлые попытки заглянуть в процессы нейроразвития опирались на такие инструменты, как функциональная магнитно-резонансная томография или жесткие электродные провода, вставленные в мозг. Но разрешение изображения было слишком низким, чтобы быть полезным, в то время как жесткие провода слишком сильно повреждали мозг, чтобы предложить что-то, кроме снимка определенного момента развития.

Теперь Цзя Лю из Гарвардского университета и его коллеги определили материал – тип перфторполимера – мягкость и конформность которого соответствуют мозгу. Они использовали его для создания мягкой, растягивающейся сетки вокруг сверхтонких проводников, которые затем поместили на нервную пластинку – плоскую, доступную структуру, которая формирует нервную трубку, предшественника мозга – эмбрионов африканской шпорцевой лягушки (Xenopus laevis).

По мере того, как нервная пластинка складывалась и расширялась, лентовидная сетка была включена в растущий мозг, где она сохраняла свою функциональность, растягиваясь и изгибаясь вместе с тканью. Когда исследователи хотели измерить мозговые сигналы, они подключили часть сетки, торчащую из черепа, к компьютеру, который отображал нейронную активность.

Имплантат, по-видимому, не повредил мозг и не вызвал иммунного ответа, и эмбрионы развились в головастиков, как и ожидалось. По крайней мере один из них вырос в обычную лягушку, говорит Лю.

«Интеграция всех материалов и обеспечение их работы — это просто потрясающе», — говорит Кристофер Беттингер из Университета Карнеги-Меллона в Пенсильвании. «Это отличный инструмент, который может потенциально продвинуть фундаментальныенейронауки, позволяя биологам измерять нейронную активность в процессе развития».

Команда сделала два основных вывода из эксперимента. Во-первых, закономерности нейронной активности изменились, как и ожидалось, по мере того, как ткань дифференцировалась в специализированные структуры, отвечающие за различные функции. Ранее не было возможности отследить, как кусок ткани самопрограммируется в вычислительную машину, говорит Лю.

В вашем мозге 86 миллиардов нейронов, примерно столько же, сколько галактик в наблюдаемой Вселенной. Является ли разум более сложным, чем космос,однако, подлежит обсуждению

Вторая загадка заключалась в том, как меняется активность мозга регенерирующего животного после ампутации. Долгое время существовала идея, что электрическая активность возвращается к более раннему состоянию развития, что команда подтвердила, используя свой имплантат в эксперименте с аксолотлями.

Команда Лю теперь расширяет исследование, включив в него грызунов. В отличие от амфибий, их развитие происходит в матке, поэтому имплантация сетки потребует экстракорпорального оплодотворения и более сложного способа измерения передачи сигнала, чем подключение сетки к компьютеру. Однако Лю надеется, что полученные результаты наблюдений на животных моделях самых ранних стадий таких состояний, как аутизм и шизофрения, окупят затраченные усилия.

По словам Беттингера, подобные устройства потенциально могут использоваться для мониторинга нервно-мышечной регенерации после восстановления и реабилитации после травм. «В целом, это впечатляющий тур де форс, который подчеркивает большой потенциальный диапазон применения сверхкомпактной электроники», — говорит он.