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使用真实的神经网络来查明脑部疾病的开始

当帕金森等神经退行性疾病的症状变得清晰到足以做出诊断时,一个人的大脑已经发生了重大变化。这就是为什么研究人员认为找到一种方法来识别这个转折点可能是更好治疗的关键。

NTNU 神经医学和运动科学系综合神经科学小组的联合负责人 Ioanna Sandvig 说:“理论上,如果你能查明疾病的发作,你就可以阻止它或逆转它的一些影响。” “当你确实有非常强烈的迹象表明出现问题时,就为时已晚了。”

Sandvig 和她的同事正在实验室中培养相互关联的脑细胞,以研究这些神经网络如何进化以及出现问题时会发生什么。这项研究部分由 NTNU 的纳米科学计划“NTNU Nano”资助,可以帮助查明神经退行性疾病的起源。

模拟连接的芯片

每个神经网络都包含成束的神经元——在我们的大脑中传递信息的细胞——安装在一个微流控芯片中,其原型是由 Rosanne van de Wijdeven 在攻读博士学位期间设计的。在NTNU。这些节点通过芯片中的隧道连接,轴突(神经元的线状突起)可以通过这些隧道生长,但神经元的主体不能。

通过将三个节点连接在一起,研究人员可以模拟人脑内部的连通性。但 Sandvig 热衷于强调,这些神经网络绝不是真正的大脑。“我们实验室里没有大脑,”她说。“但我们确实拥有具有代表性的网络,并且对我们想要引入的扰动具有很强的可塑性。”

这些芯片包含在 NTNU 的 NanoLab 中制造的微电极阵列,使研究人员能够测量网络的电活动并深入了解信号如何在神经元之间传递。

困惑的神经元

在最近由 Vibeke Devold Valderhaug 领导并在上传到预印服务器 bioRxiv的一篇论文中详细介绍的一项研究中,研究人员并行培养了两组神经网络,其中一组容纳了具有与帕金森病相关的基因突变的神经元。称为 LRRK2 G2019S 的疾病。他们发现,在发生突变的网络中,神经元以明显不同的方式生长和形成连接,并显示出与健康网络不同的电活动。

Sandvig 说,神经元通常以非常特定的方式在它们的环境中导航,但在具有突变的网络中,细胞没有你期望的那种方向性——它们似乎很困惑。“LRRK2 突变网络似乎有某种异常增长,”Sandvig 说。“它们似乎以与健康网络完全不同的方式解释完全相同的线索——因为它是相同的基质。”

除了这些发现之外,Sandvig 很高兴看到团队的实验设置中出现了如此清晰的细微变化。“令人惊讶的是我们可以用这个界面很好地接受它,”她说。该界面还允许研究人员查看节点内以及节点之间的连接。

具有共同基本特征的不同脑部疾病

在神经网络中研究这些大脑变化比在动物中研究它们更具优势,尽管每种方法都可以相互提供信息。“与动物模型相比,你可以更容易地获得网络结构和功能变化的这些快照,”桑德维格说。

使用神经网络,还可以从同一个人身上获取细胞,并以两种不同的方式获得它们,以比较在消除与年龄相关的影响后网络的演变情况。事实上,Sandvig 正在与综合神经科学小组联合负责人 Axel Sandvig 以及 Kavli 系统神经科学研究所的同事一起开发的后续项目之一,正是针对阿尔茨海默氏病进行的。“像帕金森氏症、肌萎缩侧索硬化症、阿尔茨海默氏症这样的疾病都不同,但它们有一些非常基本的特征,”她说。

通过提供关于我们大脑在神经退行性疾病早期如何变化的新见解,现实生活中的神经网络可以让我们走上新的理解之路,最终甚至可能是新的治疗方法。

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