Het menselijk brein is een buitengewoon complex, organische CPU, gemaakt van biljoenen verbindingen tussen vele miljarden neuronen. Het begrijpen van zo'n gecompliceerd orgaan is een enorme wetenschappelijke onderneming, en onderzoekers gebruiken vaak vereenvoudigde modellen om kleine stukjes van de neurologische puzzel te ontdekken.

In een rapport gepubliceerd in Micromachines , onderzoekers van het University of Tokyo Institute of Industrial Science beschrijven hun nieuwe methode om zo'n model te maken met behulp van microscopische platen om neuronen cel voor cel met elkaar te verbinden.

Onderzoek naar de hersenen omvat meestal het gebruik van in vitro culturen, dat zijn verzamelingen van neuronen die in een schaal zijn samengegroeid. Een cultuur vertegenwoordigt in werkelijkheid, een sterk uitgeklede versie van een brein dat chemisch of elektrisch kan worden gemanipuleerd. Hoewel culturen onmisbaar zijn voor neurologisch onderzoek, ze lijden aan aanzienlijke beperkingen.

"In vitro-cultuurmodellen zijn essentiële hulpmiddelen omdat ze relatief eenvoudige neuronnetwerken benaderen en experimenteel controleerbaar zijn, ", zegt hoofdauteur Shotaro Yoshida van de studie. "Deze modellen zijn al tientallen jaren instrumenteel in het veld. Het probleem is dat ze erg moeilijk te controleren zijn, omdat de neuronen de neiging hebben om willekeurige verbindingen met elkaar te maken. Als we methoden kunnen vinden om neuronnetwerken op een meer gecontroleerde manier te synthetiseren, het zou waarschijnlijk leiden tot grote vooruitgang in ons begrip van de hersenen."

De onderzoekers maakten gebruik van recente inzichten in hoe neuronen zich gedragen; namelijk, dat geometrische vormen neuronen kunnen leiden, hen te vertellen waar en hoe ze moeten groeien. In dit geval, het team gebruikte een synthetisch neuron-adhesief materiaal om een ​​microscopische plaat te maken. De plaat is rond met twee uitstekende rechthoeken, enigszins lijkend op een kraal aan een strak touwtje. Ze ontdekten dat deze vorm neuronen op een zeer gedefinieerde manier begeleidt om te groeien:wanneer ze op de microplaat worden geplaatst, het cellichaam van een neuron nestelt zich op de cirkel, terwijl het axon en de dendrieten - de takken die neuronen met elkaar laten communiceren - in de lengte langs de rechthoeken groeien.

"Wat vooral belangrijk was in dit systeem was om controle te hebben over hoe de neuronen met elkaar verbonden waren, Yoshida voegt toe. "We hebben de microplaten zo ontworpen dat ze verplaatsbaar zijn, zodat door ze rond te duwen, we zouden fysiek twee neuronen naast elkaar kunnen bewegen. Toen we ze eenmaal bij elkaar hadden gezet, we konden dan testen of de neuronen een signaal konden doorgeven."

Neuronen communiceren met elkaar via synapsen, gespecialiseerde structuren die chemische boodschappers van het ene neuron naar het andere laten reizen. Met behulp van een techniek om de delen van een synaps te visualiseren, het onderzoeksteam ontdekte dat de microplaat-rijdende neuronen inderdaad in staat waren om deze communicatieknooppunten te vormen. Wat meer was, de hubs waren functioneel:toen een neuron oplichtte met elektrisch geladen ionen, zijn partner lichtte op precies hetzelfde moment op.

Terwijl het team ernaar streeft het systeem verder te verfijnen (slechts een klein deel van de neuronen kan met succes worden verbonden via werkende synapsen), de resultaten van de studie suggereren een belangrijke stap voorwaarts in het gebruik van microplaten voor onderzoek.

"Dit is, voor zover wij weten, de eerste keer dat een mobiele microtiterplaat is gebruikt om neuronen morfologisch te beïnvloeden en functionele verbindingen te vormen, " hoofdonderzoeker Shoji Takeuchi concludeert. "We geloven dat de techniek ons ​​uiteindelijk in staat zal stellen om eenvoudige neuronnetwerkmodellen te ontwerpen met eencellige resolutie. Het is een spannend vooruitzicht, omdat het veel nieuwe onderzoekspaden opent die niet mogelijk zijn met onze huidige reeks experimentele tools."