Моделирование нейронных культур на устройствах «мозг-на-чипе»
Учёные из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) разработали вычислительную модель для анализа активности и структуры нейронных сетей, которые формируются в культурах клеток мозга, выращенных на трёхмерных устройствах «мозг-на-чипе».
Модель, описанная в журнале PLOS Computational Biology, позволяет отслеживать временну́ю динамику — эволюцию изменений в нейронных сетях с течением времени. Это помогает изучать структуру нейронных сообществ, её развитие и вариации в разных экспериментальных условиях.
Как работает модель
- Устройство «мозг-на-чипе» с тонкоплёночными мультиэлектродными массивами (MEA) записывает электрические сигналы общающихся нейронных сетей.
- Команда объединила стандартные стохастические блочные модели из теории графов с вероятностной моделью Гауссовских процессов, включив машинное обучение, чтобы создать временну́ю стохастическую блочную модель (T-SBM).
Применение модели к трём наборам данных
- Сложность культуры: Сравнивались культуры только с нейронами и культуры, смешанные с другими типами клеток мозга. В более сложных культурах сети развивались более сложными, а сообщества со временем усложнялись.
- Внеклеточный матрикс (ECM): Анализ нейронов, выращенных на трёх разных типах белков, показал, что покрытие мало влияет на рост нейронных культур.
- Нейроны из разных регионов мозга: Обнаружены различия в сетях кортикальных и гиппокампальных культур, с гораздо более высоким уровнем синхронизированной нейронной активности в гиппокампальных культурах.
Значение и перспективы
- Модель валидирует как само устройство «мозг-на-чипе», так и вычислительные инструменты для анализа данных с него.
- Возможность моделировать изменения нейронных связей во времени и устанавливать базовую норму нейронной активности позволит изучать на устройстве эффекты фармацевтических препаратов, токсинов, таких расстройств, как эпилепсия, или травм мозга.
- Работа финансировалась программой Laboratory Directed Research and Development (LDRD) и является шагом к созданию прогностических моделей.
- Команда лаборатории теперь ищет внешнее финансирование, чтобы использовать 3D «мозг-на-чипе» для скрининга терапевтических соединений и разработки релевантных человеку моделей нейронных культур для таких заболеваний, как черепно-мозговая травма (ЧМТ).