نورونها که سلولهای کلیدی مغز محسوب میشوند، از طریق تبادل سیگنالها شبکههایی را تشکیل میدهند که به مغز امکان یادگیری و تطبیق سریع را میدهد. محققان دانشگاه فناوری دلفت در هلند (TU Delft) موفق به توسعه یک محیط چاپ سهبعدی شدهاند که مشابه مغز واقعی است و در آن نورونها به شیوهای طبیعی رشد میکنند.
به گزارش رسانه اخبار پزشکی مدنا، این مدل با استفاده از نانوستونهای بسیار کوچک، بافت نرم عصبی و رشتههای ماتریکس خارجسلولی مغز را شبیهسازی میکند. این فناوری نهتنها بینشهای جدیدی درباره نحوه شکلگیری شبکههای عصبی ارائه میدهد، بلکه ابزاری نوین برای مطالعه تغییرات این فرایند در اختلالات عصبی مانند آلزایمر، پارکینسون و اختلالات طیف اوتیسم فراهم میکند. مانند بسیاری از سلولهای بدن، نورونها نیز به سختی و هندسه محیط اطراف خود واکنش نشان میدهند. محیطهای سنتی مانند ظروف پتری، سطحی صاف و سخت دارند که کاملاً با محیط نرم و الیافی ماتریکس خارجسلولی مغز متفاوت است. برای تقلید خواص هندسی و مکانیکی این محیط، تیمی به سرپرستی دکتر آنجلو آکاردو از روش پلیمریزاسیون دو فوتونی استفاده کرده است؛ این فناوری نوعی تکنیک چاپ سهبعدی مبتنی بر لیزر با دقتی در حد نانومتر است.
در این روش، نانوستونهایی که هرکدام هزاران برابر نازکتر از یک تار موی انسان هستند، به شکلی منظم مانند جنگلی کوچک روی یک سطح چیده میشوند. محققان با تغییر پهنا و ارتفاع این نانوستونها، میزان سختی برشی مؤثر آنها را تنظیم کردند؛ این یک ویژگی مکانیکی است که سلولها هنگام حرکت روی ساختارهای میکرو و نانو احساس میکنند. آکاردو توضیح میدهد: «این ویژگی، نورونها را فریب میدهد تا تصور کنند در محیطی نرم و مشابه بافت مغزی قرار دارند، درحالیکه در واقع جنس نانوستونها سفت است. این نانوستونها هنگام حرکت نورونها خم شده و نهتنها نرمی بافت مغزی را شبیهسازی میکنند، بلکه یک ساختار نانومتری سهبعدی در اختیار نورونها قرار میدهند تا مانند الیاف ماتریکس خارجسلولی در مغز واقعی، به آن متصل شوند.» این ویژگی مستقیماً بر رشد نورونها و نحوه اتصال آنها به یکدیگر تأثیر میگذارد.
برای بررسی عملکرد این مدل، محققان سه نوع مختلف از سلولهای عصبی را که از بافت مغزی موش یا سلولهای بنیادی انسانی مشتق شده بودند، روی این نانوستونها پرورش دادند. در ظروف پتری سنتی و مواد زیستی دوبعدی، نورونها در جهتهای تصادفی رشد میکردند، اما در محیط نانوستونی چاپشده سهبعدی، هر سه نوع سلول الگوهای منظمی تشکیل دادند و شبکههایی در زوایای خاص به وجود آوردند.
آکاردو دراینباره میگوید: «این ساختارهای شبهدستی، انتهای نورونهای در حال رشد را هدایت میکنند تا مسیرهای جدیدی برای اتصال پیدا کنند. در سطوح صاف، مخروطهای رشد بهطور گستردهای باز شده و تقریباً مسطح باقی میمانند. اما روی آرایههای نانوستونی، این مخروطها زائدههای بلند و انگشتمانندی را در همه جهات ارسال میکنند، نه فقط در یک صفحهی مسطح، بلکه در فضایی سهبعدی، مشابه آنچه در محیط مغزی واقعی رخ میدهد.»
جورج فلاموراکیس، نویسنده اصلی این پژوهش، نیز تأکید دارد که این محیط نانوستونی علاوه بر شکلدهی به رشد نورونها، باعث تسریع در بلوغ آنها نیز میشود. بررسیها نشان داده است که سلولهای پیشساز عصبی که روی این نانوستونها رشد کردهاند، میزان بالاتری از یک نشانگر نورونی بالغ را در مقایسه با سلولهای پرورشیافته روی سطوح صاف نشان میدهند. این یافتهها نشان میدهد که این سیستم نهتنها جهت رشد نورونها را کنترل میکند، بلکه بلوغ آنها را نیز تسریع میبخشد.
اما اگر نرمی محیط رشد تا این حد اهمیت دارد، چرا از مواد نرمتری مانند ژلها استفاده نشود؟ آکاردو در پاسخ به این پرسش توضیح میدهد: «مشکل اینجاست که ماتریکسهای ژلی، مانند کلاژن یا ماتریژل، معمولاً از عدم ثبات در ترکیب برخوردارند و فاقد ویژگیهای هندسی طراحیشدهی دقیق هستند. مدل نانوستونی ما بهترین ویژگیهای هر دو جهان را ارائه میدهد؛ از یکسو مانند محیطی نرم عمل میکند و از سوی دیگر دارای ساختارهای نانومتری است که از طریق فناوری پلیمریزاسیون دو فوتونی با دقت بالا و تکرارپذیری زیاد ساخته شدهاند.»
این مدل با بازآفرینی دقیق نحوه رشد و اتصال نورونها، میتواند بینشهای جدیدی درباره تفاوتهای شبکههای مغزی سالم و شبکههای مرتبط با اختلالات عصبی مانند آلزایمر، پارکینسون و اختلالات طیف اوتیسم ارائه دهد.
