Een 3D-model van het menselijk brein helpt met het verkrijgen van nieuwe inzichten in neurologische afwijkingen. Het model bootst de structuur en functie van het menselijk brein daarbij nauwkeurig na, en moet helpen bij het vroegtijdig opsporen van neurologische afwijkingen.
Het 3D-model is ontwikkeld door onderzoekers van de Zuid-Koreaanse universiteit POSTECH. Herstel is bij neurodegeneratieve ziekten zoals Alzheimer en Parkinson niet tot nauwelijks mogelijk. Dit maakt het vroegtijdig detecteren en voorspellen van dergelijke ziekten van groot belang. In de praktijk is dit echter complex, onder meer door de complexiteit van het menselijk brein.
Met hun model hopen de onderzoekers uitkomst te bieden. Het model moet helpen de reactie van het menselijk brein op allerlei omstandigheden in het laboratorium inzichtelijk te maken. Hiervoor werken onderzoekers al langer met tweedimensionale celstructuren en stamcel-gebaseerde organoïdes. In de praktijk bieden beide echter beperkte mogelijkheden voor het reproduceren van de complexe architectuur en functie van het menselijk brein.
Bioengineered Neural Network
Het nieuwe 3D-model is een zogeheten Bioengineered Neural Network (BENN). Dit is een kunstmatig model van het menselijk brein dat laag voor laag is opgebouwd. Het model maakt gebruik van biomimetische compartimentering. Een deel van het model bestaat uit zogeheten grijze materie, wat neuronale cellichamen omvat. Een tweede deel omvat witte materie, dat bestaat uit uitgelijnde axonen die fungeren als informatiesnelwegen die signaaloverdracht vergemakkelijken.
De onderzoekers pasten elektrische stimulatie toe voor het begeleiden van de axonale groei van neuronen in een specifieke richting. Zo bevorderden zij de vorming van uitgelijnde en onderling verbonden neurale paden. Dit leidde tot een functioneel neuraal netwerk dat sterk lijkt op de oorspronkelijke signaaloverdrachtsarchitectuur van de hersenen. Real-time monitoring van calciumionenflux bevestigt dat het BENN-model elektro-fysiologische reacties vertoont die analoog zijn aan die waargenomen in daadwerkelijk hersenweefsel, melden de onderzoekers
Effecten van blootstelling aan alcohol onderzocht
Het team gebruikte daarnaast het BENN-platform voor het onderzoeken van de effecten van blootstelling aan alcohol op de hersenfunctie. Het model werd daarbij gedurende drie weken dagelijks behandeld met ethanol in een concentratie van 0,03%, wat volgens de onderzoekers representatief is voor matig sociaal drinken. In het gebied van de grijze stof observeerden ze verhoogde niveaus van met Alzheimer gerelateerde eiwitten, waaronder amyloid-bèta en tau. In de witte stof identificeerden ze significante morfologische veranderingen in neurale vezels, waaronder zwelling en vervorming.
De voortplanting van neurale signalen vertoonde ook een opmerkelijke verzwakking. Deze studie is de eerste die regio-specifieke neurotoxische reacties op alcohol in real-time visualiseert en kwantificeert met behulp van een biotechnologisch hersenmodel.
‘Belangrijke stap voorwaarts’
“Dit model maakt een hoogwaardige analyse van neurale connectiviteit en elektro-fysiologische reacties mogelijk, die voorheen moeilijk te observeren waren. Het heeft aanzienlijk potentieel voor vroege detectie van ziekten en nauwkeurige voorspelling van therapeutische resultaten in het preklinische stadium”, zegt hoogleraar Dong-Woo Cho van POSTECH. Hoogleraar Jinah Jang voegt toe: “Dit onderzoek markeert een belangrijke stap voorwaarts in ons vermogen om de vroege pathologische gebeurtenissen van hersenziekten in een laboratoriumomgeving te onderzoeken.”
De onderzoeksresultaten zijn door onderzoekers gepubliceerd in het International Journal of Extreme Manufacturing en hier te vinden.
Beeld: aziz enn via Pixabay
