Des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego, Sanford Stem Cell Institute ont conçu une technique innovante pour stimuler et mature des organoïdes cérébraux humains en utilisant du graphène, une monocouche d’atomes de carbone. L’étude, publiée dans Nature Communications, présente une stimulation optique médiée par le graphène (Gramos), une méthode sûre, non génétique, biocompatible et non invasive pour moduler l’activité cérébrale sur des périodes de jours à des semaines. Cette méthode accélère la formation d’organeïdes cérébraux, qui est particulièrement cruciale pour modéliser les troubles associés à l’âge tels que la maladie d’Alzheimer, et permet un contrôle en temps réel de l’équipement robotique.
«Ceci change la donne pour la recherche sur le cerveau», a déclaré Alysson Muotri, Ph.D., auteur correspondant, professeur de pédiatrie, et directeur du UC San Diego Sanford Stem Cell Institute Integrated Space Stem Cell Orbital Research Center. «Nous pouvons désormais accélérer la maturation des organoïdes cérébraux sans modifier leur code génétique, en ouvrant des portes pour la recherche sur les maladies, les interfaces cérébrales-machine et d’autres systèmes combinant des cellules cérébrales vivantes avec la technologie.»
Une approche innovante pour cultiver les tissus neuronaux in vitro
Les organoïdes cérébraux – les représentations à trois dimensions et dérivées des cellules souches du cerveau humain – sont cruciales pour étudier les troubles neurologiques; Néanmoins, leur processus de maturation prolongé limite leur applicabilité aux problèmes qui évoluent au fil des décennies. À ce jour, les techniques de stimulation ont nécessité une modification génétique (optogénétique) ou l’application de courants électriques directs, ce qui peut nuire aux neurones délicats.
Gramos utilise les capacités optoélectroniques distinctives du graphène pour transformer la lumière en signaux électriques subtils qui favorisent la connectivité et la communication neuronales. Cette stimulation reproduit l’apport environnemental que les cerveaux réels éprouvent, favorisant le développement sans méthodes invasives.
«En utilisant du graphène et de la lumière, nous avons pu pousser les neurones pour former des connexions et mûrir plus rapidement, sans outils optogénétiques traditionnels», a déclaré Elena Molokanova, Ph.D., auteur de co-corresponding et chef de la direction et inventeur de la technologie Gramos chez Neurano Bioscience. «C’est comme leur donner une légère poussée pour grandir plus rapidement – essentielle pour étudier les maladies liées à l’âge dans un plat.»
Résultats clés:
- Développement accéléré: L’utilisation cohérente de Gramos a facilité la formation de connexions robustes, une organisation de réseaux améliorée et une transmission neuronale améliorée dans les organes cérébraux, y compris ceux dérivés des patients d’Alzheimer.
- Le graphène est sûr et biocompatible, ne présentant aucun effet néfaste sur les neurones ou la structure organoïde, même sur des durées prolongées.
- Modélisation améliorée des maladies: les organoïdes d’Alzheimer à un stade précoce ont démontré des variations fonctionnelles distinctes de la connectivité et de l’excitabilité du réseau lors de la stimulation.
- Intégration robotique: les organoïdes stimulés au graphène étaient connectés à un robot de base dans une boucle de rétroaction fermée, ce qui lui permet de réagir aux stimuli visuels.
Du laboratoire à la recherche d’Alzheimer et au-delà
La stimulation accélère la maturation neuronale, permettant aux chercheurs d’étudier la progression de la maladie plus tôt et dans un environnement plus physiologiquement pertinent. Cela peut améliorer les délais de dépistage des drogues et offrir de nouvelles perspectives sur la façon dont les troubles tels que la modification des circuits cérébraux d’Alzheimer.
«Notre technologie comble un écart critique dans la recherche en organoïdes», a déclaré Alex Savchenko, Ph.D., auteur co-ennior et chef de la direction de Nanotools Bioscience. «Il offre un moyen fiable et reproductible d’activer les neurones, qui peuvent transformer à la fois les neurosciences fondamentales et les études de translation.»
Interaction cérébrale avec la technologie
Les organoïdes cérébraux interfacés au graphène présentent une réactivité environnementale et peuvent modifier leurs réseaux de neurones en réaction à la lumière. La neuroplasticité acquise offre un avantage significatif sur les puces informatiques dans les futures applications d’intelligence artificielle (IA) en améliorant la capacité des systèmes d’IA à relever des défis complexes et imprévus tout en garantissant une tolérance accrue et une fiabilité dans les applications importantes.
L’équipe a démontré une preuve de concept convaincante en reliant les organes cérébraux interfacés au graphène à un système robotique équipé d’un capteur. Lors de la détection d’une obstruction, le robot a transmis un signal pour activer l’organoïde, qui a par la suite produit un motif neuronal qui a incité le robot à modifier sa trajectoire, en terminant ainsi la boucle en moins de 50 millisecondes.
Cette intégration suggère le potentiel de futurs systèmes neuro-biohybrides, dans lesquels les tissus neuronaux et les robots vivants collaborent pour des prothèses améliorées, des interfaces adaptatives ou de nouvelles méthodes de calcul.
Cette recherche représente une progression significative dans l’exploitation des capacités du graphène dans les neurosciences, la nanotechnologie et la neuro-ingénierie. Cette technique peut faciliter de nouvelles méthodes pour interliner les tissus du cerveau de plus en plus complexes, ainsi que les connecter au cerveau lui-même. La capacité à réguler et à accélérer la croissance des organoïdes cérébraux facilite leur utilisation en tant que modèles robustes pour évaluer la thérapeutique pour les maladies neurodégénératives et développementales, dans laquelle les connexions altérées pourraient entraver la capacité du cerveau à traiter et à répondre aux informations.
Cette méthodologie pourrait s’étendre au-delà de la recherche sur la maladie à l’ingénierie tissulaire, fournissant un moyen non invasif et précis d’activer de nombreux types de tissus cultivés en laboratoire. En connectant les réseaux de neurones vivants aux machines, les chercheurs peuvent découvrir comment la résilience et l’apprentissage du cerveau pourraient améliorer les ordinateurs et les robots, conduisant peut-être à de futures applications de l’intelligence artificielle.
« Ce n’est que le début », a déclaré Muotri. «La combinaison de la polyvalence du graphène et de la biologie des organoïdes cérébraux pourrait redéfinir ce qui est possible dans les neurosciences, de la compréhension du cerveau à la création de paradigmes technologiques entièrement nouveaux.»
L’étude comprend des co-auteurs supplémentaires: Mariana SA Ferraz, Angels Almenar-Seralt, Georgia Chaldaiopoulou, Janaina Sena de Souza, Francesca Puppo et Pinar Mesci de l’UC San Diego School of Medicine; Teng Zhou, Michael Reiss, Honieh Hemati, Francisco Downey et Omowuyi O. Olajide de l’UC San Diego School of Engineering; Pragna vasupal de Neurano Bioscience; Volodymyr P. Cherkas de l’Institut de chimie bioorganique de l’Académie polonaise des sciences et du Bogomoletz Institute of Physiology; Prashant Narute et Dmitry Kireev de l’Université du Massachusetts, Amherst; Carolina Thörn Perez de Universidade Federal Do ABC; et Samuel L. Pfaff de l’Institut Salk pour les études biologiques.
La recherche a reçu un financement partiel des National Institutes of Health (AS: 1R43MH124563; ARM: 1R01MH128365, R01NS123642, 1R01ES033636, MH123828, MH127077, NS105969; EM: 1R43NS122666, NS105969; EM: 1R43NS1226666, 1R43AG076088, 5R44DA050393), le ministère de la Défense W81XWH2110306 (à ARM), le California Institute of Regenerative Medicine (DISC2-13866 à AS), et le programme de soutien à long terme pour les équipes de recherche Ukrainian de l’Ukrainian à la sauvegarde financière, conduit en collaboration avec les partenaires extérieurs pour les ventes de personnes à l’extérieur pour les partenaires externes pour les États-Unis.
Questions fréquemment posées
Comment l’oxyde de graphène réduit (RGO) a-t-il été synthétisé pour une utilisation dans l’étude?
Le RGO a été fabriqué en réduisant chimiquement l’oxyde de graphène en utilisant de l’acide L-Ascorbique dans une solution aqueuse, ce qui impliquait de régler le pH et de laver la dispersion plusieurs fois.
Quel rôle le graphène a-t-il joué dans les cultures neuronales et les organoïdes cérébraux dans cette recherche?
Le graphène a été utilisé comme substrat pour soutenir la croissance des neurones et des organoïdes cérébraux dérivés des HIPSC, améliorant leur viabilité et leur fonctionnalité lors des expériences de stimulation légère.
Comment la stimulation légère a-t-elle affecté l’activité des neurones et des organoïdes dans l’étude?
Les neurones et les organoïdes exposés à une stimulation de la lumière ont montré une activité neuronale accrue, qui a été surveillée par des enregistrements électrophysiologiques, ce qui indique que la lumière peut influencer leur maturation et leur connectivité.
