Киборги обрели нервную систему

Ученые впервые вырастили объемный графт из человеческих нервных клеток

Правильная физическая «мотивация» действует не только на людей, но и на отдельные клетки. Точно рассчитанное и приложенное механическое напряжение позволило американским учёным вырастить трёхмерные структуры из нейронов человека, долго не поддававшихся тканевым инженерам. Это открытие может лечь в основу искусственной нервной системы для кибернетических организмов.

Исследователи медицинского колледжа Университета Пенсильвании впервые продемонстрировали способ проектирования и построения искусственной сети живых человеческих нервных клеток. Такие сети передачи нервных импульсов могут быть использованы в протезах и имплантатах, предназначенных для восстановления поврежденных нервных волокон.

Руководитель работ Дуглас Смит, профессор и директор Центра травматологии и восстановления мозга при университете в комментарии к статье пояснил, что его команде удалось синтезировать трехмерную структуру из живых человеческих клеток, которая, по сути, представляет собой миниатюрную нервную систему. Кроме того, Смит заявляет, что такая система может быть целиком трансплантирована в организм человека без особых затруднений.

Трансплантация нервной ткани в целях восстановления нервной системы уже была успешно продемонстрирована в модельных экспериментах на животных, однако на пути внедрения такой методики в реконструктивную хирургию человека существует несколько препятствий: во-первых, не так-то просто найти подходящие живые нервные клетки, а во-вторых, методики их сращивания до сих пор были применимы только для небольших поражений нервной ткани и не были способны помочь при обширных травмах.

Строение нейрона

Нейроны являются основными структурными и функциональными единицами нервной системы. нейрон представляет собой клетку, в которой, как и в других клетках, имеется ядро и цитоплазма. Снаружи нервная клетка окружена оболочкой – плазматической мембраной. В цитоплазме нейрона содержатся органеллы общего значения, а также ряд специальных органелл.

Наиболее сложное строение имеют нейроны коры больших полушарий и мозжечка, что, очевидно, связано со сложностью выполняемых этими отделами мозга функций. В каждом нейроне различают сому, или тело, и отростки. Последние разделяют на аксоны и дендриты. Аксон – длинный отросток, функцией которого является проведение возбуждения по направлению от тела клетки к другим клеткам или периферическим органам. Особенностью аксона является то, что от тела клетки отходит всего один такой отросток. Дендриты – это многочисленные ветвящиеся отростки, функция которых состоит в восприятии импульсов, приходящих от других нейронов, и проведении возбуждения к телу нервной клетки.

«Позвоночник»

Команда Смита уже смогла показать в предыдущих своих работах возможность механического стимулирования роста пучков нервных окончаний – аксонов. Свои эксперименты ученые изначально провели на крысах. Исследователи поместили нейроны из задних корешков нервных узлов спинного мозга на пропитанные питательным раствором пластиковые подложки. В скором времени эти нейроны дали отростки аксонов, которые в процессе роста смогли соединиться с такими же аксонами соседних нейронов. Затем в течение нескольких дней подложки аккуратно удалялись с помощью автоматизированной компьютерной системы, и у ученых «на руках» оставались пучки длинных живых аксонов.

Полученные нейроны в дальнейшем были погружены в коллагеновую матрицу, пропитанную питательными веществами и факторами роста аксонов, свернуты в трубочку, наподобие рулета, и имплантированы в модельное повреждение спинного мозга крысы. Имплантированные нейроны и стягивающие их аксоны показали свою жизнеспособность в течение четырех недель после трансплантации, а геометрия изначальной конструкции осталась неизменной. Кроме того, экспериментаторам удалось наблюдать, как аксоны на конце коллагеновой конструкции «проросли» сквозь неё навстречу аксоном поврежденного спинного мозга, с которыми позже и соединились, образовав подобие нервного моста.

Следующим шагом стало применение отработанной методики на человеческих нейронах.

Как и в эксперименте с крысами, ученые использовали нейроны, полученные из узелков спинного мозга, так последние отличаются повышенной устойчивостью и жизнеспособностью.

Узелковые нейроны были получены в ходе элективной ганглиэктомии (процедуры по отбору живых нервных клеток из участков спинного мозга) шестнадцати здоровых добровольцев, а участки торакальных (грудных) нервов экспериментаторы получили по программе донорства органов человека. Дальнейшее сращивание нервных тканей происходило в специально подготовленной камере, геометрия которой позволяла растущей трехмерной системе формировать структуру, напоминающую структуру спинного мозга.

В этой камере к нейронам прикладывали небольшое механическое напряжение в направлении желаемого роста до тех пор, пока те не достигали нужной длины.

Как оказалось, нейроны способны выживать в условиях питательной среды более трех месяцев и при этом оставаться способными генерировать нервные импульсы, необходимые для возбуждения мышечных тканей. Рост аксонов в ряде случаев достигал одного миллиметра в день и продолжался до достижения длины в один сантиметр. На основании таких структур, построенных из донорских нейронов, соединенных выращенными в искусственных условиях аксонами, ученые и предполагают строить трёхмерные сети нервных каналов для дальнейшей трансплантации в живые организмы.

Как отмечает сам Смит, его работа заключает в себе сразу несколько достижений, так как его команде не только удалось показать применимость взрослых нейронов, являющихся доступным, жизнеспособным и «податливым» материалом в качестве трансплантата. Кроме прочего, технология, предложенная пенсильванцами, может оказаться полезной даже в случае очень серьезных и масштабных поражений нервной ткани и подразумевает использование как собственных клеток пациента для восстановления нервной системы, так и донорских нейронов.

Работа ученых опубликована в февральском выпуске Journal of Neurosurgery.

Такая технология создания искусственных нервных систем может пригодиться и в отдаленном будущем для создания кибернетических организмов и вживления людям сложных функциональных имплантов, о чем Дуглас Смит заявил примерно год назад.