Metode baru dikembangkan untuk produksi sirkuit saraf manusia yang tepat di laboratorium

Para peneliti di Rumah Sakit Universitas Bonn dan Universitas Bonn sedang merekonstruksi jaringan saraf di laboratorium dan menyelidiki mekanisme baru transmisi sinyal di otak.

Bagaimana cara kerja sirkuit otak manusia – dan apa yang terjadi jika sirkuit tersebut terganggu? Untuk menyelidiki pertanyaan-pertanyaan ini, para peneliti di Klinik Mata Rumah Sakit Universitas Bonn (UKB) dan Universitas Bonn, bersama dengan rekan-rekan dari Universitas Münster dan Harvard Medical School, telah mengembangkan platform inovatif yang memungkinkan fungsi jaringan saraf dipelajari dengan cara yang ditargetkan. Hasilnya kini telah dipublikasikan di jurnal ACS Nano.

Volker Busskamp, ​​ahli bioteknologi dan ketua kelompok penelitian di Klinik Mata UKB, anggota Cluster of Excellence ImmunoSensation² dan 'Kehidupan & Kesehatan' Area Penelitian Transdisipliner (TRA) di Universitas Bonn, dan timnya telah mengembangkan teknologi baru yang memungkinkan jaringan saraf manusia dibangun dengan cara yang ditargetkan dan dapat direproduksi untuk pertama kalinya. Metode yang disebut Platform Perakitan Jaringan Neuron Tunggal (SNAP) ini memungkinkan penempatan sel saraf dengan presisi sel tunggal dan memeriksa sinyal listriknya. Hal ini membuka pendekatan baru untuk meneliti proses fundamental di otak – dan berpotensi juga penyakit seperti epilepsi atau aritmia jantung.

Sirkuit saraf yang ditargetkan, bukan jaringan acak

Hingga saat ini, model otak in vitro sering kali didasarkan pada koneksi sel yang terbentuk secara acak, sehingga sangat membatasi reproduktifitasnya. Sebaliknya, metode SNAP menggabungkan saluran mikrofluida cetak 3D dengan laser canggih dan teknologi litografi lembut. Masing-masing sel ditempatkan dalam saluran dengan presisi mikroskopis menggunakan mikropipet dan mikromanipulator. Pertumbuhan akson sel saraf juga dapat dikontrol secara spesifik, sehingga menghasilkan jaringan saraf yang terdefinisi dengan jelas dan dapat direproduksi. Hal ini memungkinkan neuron diposisikan secara tepat dan aktivitas listrik diukur secara tepat.

'Dengan SNAP, kami dapat merancang sirkuit saraf dari awal,' jelas Busskamp. 'Hal ini memungkinkan kami mempelajari jaringan dengan properti spesifik dan mencatat proses yang sebelumnya sulit diakses secara eksperimental.'

Konfirmasi langsung pertama dari apa yang disebut kopling ephaptik

Salah satu fokus penelitian ini adalah penyelidikan kopling ephaptik – yaitu interaksi antar neuron melalui medan listriknya sendiri, tidak bergantung pada kontak sinaptik. Efek seperti ini sebelumnya hanya dijelaskan secara teori, namun sulit dibuktikan secara eksperimental. Dengan SNAP, bukti eksperimental langsung dari penggandengan ephaptic dalam sirkuit saraf manusia yang terkontrol kini telah diperoleh untuk pertama kalinya. 'Faktor penentunya adalah kemampuan mengendalikan sel pada tingkat sel tunggal,' jelas Johannes Striebel, kandidat doktor dan penulis pertama studi tersebut. “Kedengarannya sepele, namun sangat menantang dari sudut pandang teknis. Hanya melalui ketepatan inilah kami dapat menunjukkan bagaimana medan listrik mempengaruhi transmisi sinyal antar neuron.” Ditemukan bahwa bentuk komunikasi listrik mempengaruhi kecepatan dan waktu sinyal saraf. Kopling ephaptik mungkin berperan tidak hanya di otak tetapi juga di otot jantung dan dapat menyebabkan penyakit seperti epilepsi atau aritmia jantung.

Peluang baru untuk penelitian dasar dan model penyakit

Platform ini memungkinkan integrasi berbagai jenis sel dan pengamatan yang tepat terhadap masing-masing neuron, termasuk stimulasi optogenetik. Ini dapat digunakan baik untuk penelitian dasar pemrosesan informasi di otak dan untuk memodelkan perubahan spesifik penyakit.

Dalam jangka panjang, SNAP juga dapat digunakan dalam penelitian obat atau pengembangan model penyakit fungsional. Karena sensitivitasnya yang tinggi terhadap antagonis sinaptik, metode ini sangat cocok untuk analisis zat neuroaktif.