תאי מפתח במוח, נוירונים, רשתות יוצרים רשתות על ידי החלפת אותות, המאפשרים למוח ללמוד ולהתאים במהירות מדהימה. חוקרי אוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה בהולנד (TU DELFT) פיתחו 'סביבה דמוית מוח מודפסת תלת-ממדית' בה נוירונים צומחים באופן דומה למוח אמיתי. בעזרת ננו -פילרים זעירים הם מחקים את הרקמה העצבית הרכה ואת סיבי המטריצה החוץ -תאי. מודל זה מספק תובנות חדשות כיצד נוירונים יוצרים רשתות, כמו גם כלי חדש להבנה בעתיד כיצד תהליך זה עשוי להשתנות בהפרעות נוירולוגיות כמו אלצהיימר, מחלת פרקינסון והפרעות בספקטרום האוטיזם.
נוירונים, כמו תאים רבים בגוף, מגיבים לקשיחות ולגיאומטריה של סביבתם. מנות פטרי מסורתיות הן שטוחות ונוקשות, בניגוד לסביבת המטריצה הרכה והסיבית-תאיית של המוח. כדי להידמות לתכונות הגיאומטריות והמכניות של סביבה זו, הצוות של פרופסור חבר אנג'לו אקרדו עיצב מערכי ננו-פילר באמצעות פילמור דו-פוטון, טכניקת הדפסה בתלת מימד עם לייזר עם דיוק ננומטוס.
עמודים אלה, שכל אחד מהם דק של אלף פעמים משיער אנושי, מסודרים כמו יערות זעירים על משטח. על ידי שינוי הרוחב והגובה, או יחס הגובה של העמודים, החוקרים כיוונו את מודול הגזירה היעיל שלהם, מאפיין מכני שחוש על ידי תאים כאשר זוחלים על גבי מערכי מיקרו או ננו-מבנים. "זה מרמה את הנוירונים ל"חושב" שהם בסביבה רכה ודמוית מוח, למרות שהחומר של הננו-פילרים עצמו הוא נוקשה. תוך כדי כיפוף מתחת לזחילה של נוירונים, הננו-פילרים לא רק מדמים את הרכות של רקמת המוח אלא ספק גם מבנה ננומטרי תלת-ממדי שעליו נוירונים יכולים לתפוס עליו, בדומה למטריקס חוץ-תאי-סיבי ננו-סיביים ברקמות מוח אמיתיות ", אומר אקרדו. זה משפיע על האופן בו הנוירונים צומחים ומתחברים זה לזה.
מצמיחה אקראית לרשתות מסודרות
כדי לבדוק את המודל, החוקרים גידלו שלושה סוגים שונים של תאים עצביים, הנגזרים מרקמת מוח עכבר או מתאי גזע אנושיים, על הננו -פילרים. במנות פטרי שטוחות מסורתיות ובביו -חומרים דו מימדיים, נוירונים גדלו לכיוונים אקראיים. אך על מערכי הננו-פילר המודפסים בתלת מימד, כל שלושת סוגי התאים גדלו בתבניות מסודרות יותר ויצרו רשתות בזוויות ספציפיות.
המחקר, שפורסם בחומרים פונקציונליים מתקדמים והופיע על כיסויו, חשף גם תובנות חדשות לגבי חרוטים צמיחה עצבית. אקרדו: "מבנים דמויי יד אלה מנחים את קצות הנוירונים הגדלים כשהם מחפשים חיבורים חדשים. על משטחים שטוחים, קונסי הגידול מתפשטים ונשארים יחסית שטוחים. אבל על מערכי הננו-פילר, חרוטים הצמיחה שלחו ארוכים, אצבע- בדומה לתחזיות, חקר את סביבתם לכל הכיוונים – לא רק לאורך מישור שטוח אלא גם במרחב התלת -ממדי, הדומה למה שקורה בסביבת מוח אמיתית. "
בנוסף, מצאנו כי הסביבה שנוצרה על ידי הננו -פילרים נראה גם מעודדת נוירונים להתבגר. "
ג'ורג 'פלמורקיס, המחבר הראשון של המחקר
תאי אבות עצביים שגדלו על העמודים הראו רמות גבוהות יותר של סמן של נוירונים בוגרים, בהשוואה לאלו שגדלו על משטחים שטוחים. "זה מראה שהמערכת לא רק משפיעה על כיוון הצמיחה אלא גם מקדמת התבגרות עצבית."
כלי ללימוד הפרעות מוחיות
עם זאת, אם הרכות כל כך חשובה, מדוע לא פשוט לגדל נוירונים על חומרים רכים כמו ג'לים? "הבעיה היא שמטריצות ג'ל, כמו קולגן או מטריגל, בדרך כלל סובלות משונות אצווה לאצווה ואינן כוללות תכונות גיאומטריות מעוצבות באופן רציונלי. המודל של מערכי ננו-מערכים מציע את הטוב ביותר משני העולמות: הוא מתנהג כמו סביבה רכה עם ננומטרי תכונות, ומחזיק בשחזור גבוה במיוחד בזכות הרזולוציה של פילמור דו-פוטון ", מסביר אקרדו.
על ידי שכפול טוב יותר כיצד נוירונים צומחים ומתחברים, המודל המפותח יכול להציע תובנות חדשות לגבי ההבדלים בין רשתות מוח בריאות לבין אלה הקשורים להפרעות נוירולוגיות, כמו אלצהיימר, מחלת פרקינסון והפרעות בספקטרום האוטיזם.
