Что происходит в мозге и какие сигналы подают его клетки при болезнях нервной системы — ответить на эти вопросы ученым поможет биочип

Чип спешит на помощь

Специалисты Национальной академии наук в сотрудничестве с кафедрой биофизики Белорусского государственного университета благодаря собственной технологии создания микрочипов могут регистрировать электрические показатели мозга, выращивать культуры нервных клеток и формировать ткани. Модернизированный биочип помогает организовать клетки мозга в нужном для ученых направлении. Заведующая лабораторией нейрофизиологии Института физиологии Национальной академии наук Светлана Пашкевич рассказала корреспонденту «Р» о том, как биочип используют сегодня и что он обещает в будущем.

Светлана ПАШКЕВИЧ: «Наша цель — разработать биосовместимые покрытия для вживляемых чипов».

Как договориться клеткам

В нашей стране развиваются научные направления, изучающие мозг в норме и при моделировании. Созданы и постоянно совершенствуются биочипы. Это очень важно для регенеративной медицины.

Биочип — небольшое устройство, напоминающее микроплату. Мини-пластинка начинена электродами, которые испускают импульсы электрического тока. Это устройство — биологический сенсор, предназначенный для регистрации и стимуляции биоэлектрической активности клеток мозга.

Статистический анализ позволяет выявить тонкие закономерности функционирования клеток, недоступные иным методам. Биочип помогает организовать клетки мозга — электровозбудимые ткани, передающие электричество, — в нужном для ученых направлении. Не только регистрировать электрические показатели, но и, обучая стволовые клетки, получать нервные ткани.

Микрочип для регистрации мультиактивности нейронов.

Микроэлектродные сенсоры широко используются в исследованиях благодаря простоте применения и возможности работать с большими объемами данных. В будущем прогнозируется более активное вовлечение внеклеточных сенсоров в фармакологию и биоинженерию, в качестве автоматизированных аналитических устройств в персонализированную медицину.

— Чип нам нужен, чтобы научить клетки «договариваться», то есть структурироваться в головном мозге, — объясняет принцип работы биочипа Светлана Пашкевич. — Например, можем взять у животного клетки головного мозга, поврежденного заболеванием, рассоединить их и заново пересобрать, обучить с помощью импульсов. Другими словами, мы восстанавливаем здоровье на клеточном уровне.

В поиске материалов

Такие датчики можно имплантировать в структуры центральной нервной системы для мониторинга состояния и коррекции электрических процессов в живом организме. Сочетание методов биоинженерии нейронных сетей и устройств класса «лаборатория на чипе» открывает возможности для воссоздания и регистрации ряда функциональных процессов в культурах клеток, то есть в упрощенных и контролируемых условиях.

Нейронная сеть.
В Институте физиологии НАН Беларуси моделируют проявления различных заболеваний, таких как ишемия, травма, инсульт, эпилепсия, болезнь Альцгеймера, и изучают новые подходы в их лечении.

— Нервная ткань состоит из нервных и глиальных клеток. Клетки глии похожи на клей, отсюда и их название, — обращает внимание Светлана Пашкевич. — Наша цель — разработать биосовместимые покрытия для вживляемых чипов, которые бы не утрачивали свои свойства во время работы. Электрические импульсы привлекают глиальные клетки. Они стараются плотнее расположиться рядом с источником импульсов тока, защищая нейроны от непонятного им вторжения. Чтобы мозг не отторгал инородное тело, необходимо искать новые материалы, дружественные для всех элементов нервной ткани.

В мире активно развивается кремниевая интегральная микроэлектроника для создания биочипов. Однако при длительном нахождении таких устройств в нервной ткани возникают сложности, связанные с механической жесткостью и чувствительностью полупроводниковых структур к компонентам внеклеточной среды.

Для изготовления микрочипов традиционно используют золото, оксид индия-олова. Эти материалы наносят на поверхность сенсоров с помощью технологии литографии. В настоящее время углеродные наноматериалы, такие как графен, и композитные составы на их основе исследуют для создания биочипов, в том числе с применением новых методов печатной электроники. Согласно государственной научной программе исследований «Конвергенция-25» планируется использовать потенциал углеродных наноматериалов.

Обучить живую сеть

На основе управляющих биочипов разрабатываются мультиэлектродные матрицы, когда электродов на чипе столько, что они могут быть размещены около каждого нейрона. Это позволяет управлять разными нейронами одновременно. На одни подавать сигнал, на другие нет. Так исследователи обучают живую сеть производить определенные последовательности разряда и выбрасывать биологически активные вещества — медиаторы или посредники.

Биочип помогает организовать клетки мозга.

В лаборатории нейрофизиологии ученые моделируют социально значимые заболевания нервной системы. В их числе болезнь

Альцгеймера, эпилепсия, болезнь Паркинсона. Разрабатывают способы восстановления нервной ткани с помощью естественных резервов организма (стволовых клеток, биологически активных веществ). В ситуациях, когда неизвестна причина и необходимо ее установить или когда естественных сил организма для восстановления недостаточно, и разрабатывается технология с применением биочипов.

Полагают, что каждый двухсотый человек может заболеть эпилепсией. В норме кратковременная эпилептиформная активность — один из способов формирования памяти. Но при развитии заболевания эта активность не только сохраняется дольше, но и усиливается, и тогда развивается эпилептический приступ. Нейроны в это время разряжаются с огромной частотой, отравляются выбрасываемыми веществами, кальцием например, и погибают. Генерализованные приступы сильно изменяют или отключают сознание человека и обездвиживают его на время припадка.

— Нервная система очень пластична, и функции соседних нейронов до последнего берут на себя другие нейроны, — поясняет Светлана Пашкевич. — Поэтому если в мозге что-то ломается, то он исчерпал все свои возможности. Тогда применяются разные способы, чтобы его починить: операции, лекарства. Нам важно предупредить развитие болезни. Мониторить вероятность появления патологии. С этой целью и развиваются различные устройства: зарегистрировать, что происходит в мозге, и расшифровать сигналы о помощи.

Мы моделируем эпилептиформную активность, вводя животному специальные препараты. Изучаем нервную ткань, помещая ее на чип, регистрируем, как развивается патологическая активность, а дальше стимулируем электрическим током или подбираем биологически активные вещества, чтобы клетки вернулись в нормальное состояние. При вживлении электродов в головной мозг можно блокировать развитие эпилептических приступов, но такие конструкции пока очень сложные. Ищем пути минимизации неудобств. И дело не только в размере, но и необходимости в источниках энергии.

Чипы — один из путей развития связи человека с компьютером. Это особенно необходимо при полной утрате возможностей самостоятельно передвигаться или при развитии неизлечимого заболевания. Разрабатываются также системы, позволяющие расширить возможности человека, например запоминать большее количество информации. В перспективе ученые планируют работать и с другими возбудимыми тканями, к примеру сердца.

kosiykova@sb.by
Полная перепечатка текста и фотографий запрещена. Частичное цитирование разрешено при наличии гиперссылки.
Заметили ошибку? Пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter