Bilim İnsanları Zihni ve Zihinsel Hastalıkları İncelemek için Kurbağalara Beyin Çipleri Yerleştiriyor

Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'ndan (SEAS) biyomühendislik araştırmacıları, kurbağa embriyolarının sinir plağına yerleştirilebilen, yumuşak, ince ve esneyebilir bir biyoelektronik cihaz geliştirdi. Sinir plağı, embriyonik gelişimin erken dönemlerinde beyine ve omuriliğe dönüşen düz yapıdır. Araştırmacılar, bu esnek cihazı sinir plağına entegre ederek, embriyonun tüm gelişim süreci boyunca beyin aktivitesini kararlı ve kesintisiz şekilde izleyebildiklerini gösterdi.

Geliştirilen implant, gelişmekte olan beyin yapısına sorunsuz bir şekilde entegre oldu ve bireysel beyin hücrelerinden milisaniyelik hassasiyetle elektriksel aktivite kaydı yapabildi. Dahası, bu kayıtlar, embriyonun normal gelişimini ya da davranışını olumsuz etkilemedi.

Araştırmaya öncülük eden Biyoİmühendislik Yardımcı Profesörü Jia Liu, şu açıklamayı yaptı: "Otizm, bipolar bozukluk, şizofreni gibi rahatsızlıkların birçoğu erken gelişim evrelerinde ortaya çıkabilir. Ancak şu anda bu evrelerdeki sinirsel aktiviteyi ölçebilecek teknolojiye sahip değiliz. Geliştirdiğimiz sistem, bilinmeyen bir alanın kapısını aralayacak." Liu, ekibin Nature dergisinde yayınlanan "Brain implantation of soft bioelectronics via embryonic development" başlıklı makalesinin kıdemli ve sorumlu yazarı.

Omurgalı embriyolarda, sinir plağının sinir tübüne dönüşmesi ve daha sonra 3B beyin ve omurilik yapılarını oluşturması, milisaniyelik zaman dilimlerinde karmaşık morfolojik değişimler içeriyor. Liu, "Omurgalı beyinleri, embriyo yüzeyinde yer alan iki boyutlu tek katmanlı sinir plağından kaynaklanan karmaşık 3B yapılardır." diyor. Ancak bu süreçteki büyük yapısal değişimler, gelişim süreci boyunca beyin aktivitesini izleyebilecek bioelektronik cihazların tasarımını zorluyordu.

Daha önceki çalışmalar, sinirsel aktiviteyi yüksek çözünürlükle kaydetmek için olgun beyinlere metal elektrotlar veya patch-clamp yöntemleri kullanıyordu. Liu'nun daha önceki çalışmalarından elde edilen doku benzeri mikroelektronikler ise bu kayıtları daha az zarar verici hale getirdi. Ancak olgun beyinlerde, sinir hücreleri nanometre ölçeğinde bağlılantı kurduğu için en yumuşak cihazlar bile zarar verebiliyor.

Liu, "Eğer doğal gelişim sürecinden tam anlamıyla faydalanabilirsek, beyne zarar vermeden çok sayıda sensör yerleştirebilir ve aktivitenin nasıl evrildiğini gözlemleyebiliriz. Bu, daha önce hiç yapılmadı." dedi.

Araştırma ekibi, son yıllarda tofu yumuşaklığındaki beyin dokuları için esnek ve zarar vermeyen biyoelektronik cihazlar üretmek üzerine çalışıyordu. Daha önceki deneylerde, elektrot dizileri kültürde büyütülen kalp ve beyin organoidlerine entegre edilerek "sibernetik organoidler" elde edildi fakat kurbağa embriyolarıyla çalışmak yeni zorluklar getirdi. Liu konuyla ilgili "Kurbağa embriyolarının dokuları, önceki deneylerimizdeki kök hücre kaynaklı dokulardan çok daha yumuşaktı." ifadelerini kullandı. Bu nedenle yeni elektronik malzemeler geliştirildi. Ekip, PFPE-DMA adlı florlu elastomerden yapılmış, biyolojik doku kadar yumuşak ancak nanofabrikasyona dayanıklı bir implant üretti.

Yeni sistem, çevresel kuvvetlerin etkisiyle 2B sinir plağından 3B sinir tübüne doğru şekillenirken, cihazın beyin dokularına dağılmasını ve entegrasyonunu sağladı. Araştırmacılar, cihazın milisaniyelik hassasiyetle tüm beyin genelinde elektriksel aktivite kaydedebildiğini, gelişim sürecini etkilemediğini, stresi artırmadığını ve davranış gelişimini bozmadığını gösterdi.

Ekip, cihazın ayrıca akciğerli semender (aksolotl) embriyolarında da, sinir sistemi hasarı öncesi ve sonrasında kullanılabilirliğini test etti. Sonuçlar, cihazın fare embriyoları ve yenidoğan sçıranlar ile de uyumlu olduğunu gösterdi. Bu da gelecekte ın vitro embriyo kültürlerinde ya da rahim içi uygulamalarda kullanım potansiyeli taşıdığına işaret ediyor.

Cihazda kullanılan PFPE-DMA materyali, Harvard Teknoloji Geliştirme Ofisi tarafından tescillenmiş durumda ve Axoft adlı şirkete lisanslandı. Jia Liu tarafından 2021 yılında kurulan Axoft, beyin-makine arayüzleri için ölçeklenebilir, yumuşak biyoelektronik cihazlar üzerine odaklanıyor.

Liu, "Malzememizin olağanüstü yumuşaklığı, biyouyumluluğu artırdığı gibi cihaz dayanıklılığını ve ölçeklenebilirliğini de geliştiriyor." dedi. Mevcut ticari sistemler genellikle prob başına 8-16 elektrot içerirken, Axoft'un yumuşak elektronik sistemleri tek bir cihazda yüzlerce elektrot barındırabiliyor. Böylelikle gereken implantasyon sayısı azalıyor ve yaklaşımı daha uygulanabilir hale geliyor. Cihazların yumuşaklığı ayrıca uzun vadeli ve yeniden konumlandırılabilir klinik kullanımlar için avantaj sağlıyor.

‍

‍

‍

‍

‍

Kaynak: https://www.genengnews.com/topics/translational-medicine/stretchable-bioelectronic-implant-integrates-into-cyborg-tadpole-embryos-developing-brain/