La technologie du graphène mûrit plus rapidement les organoïdes cérébraux, peuvent débloquer des informations neurodégénératives

Des chercheurs de l’Université de California San Diego Sanford STEM Cell Institute ont développé une nouvelle méthode pour stimuler et mature des organoïdes cérébraux humains en utilisant du graphène, une feuille de carbone à un atome.

Publié dans Communications de la natureL’étude introduit une stimulation optique médiée par le graphène (Gramos), une manière sûre, non génétique, biocompatible et non dommageable pour influencer l’activité neuronale au cours des jours à des semaines. L’approche accélère le développement des organoïdes cérébraux, en particulier important pour la modélisation des conditions liées à l’âge comme la maladie d’Alzheimer – et leur permet même de contrôler les appareils robotiques en temps réel.

“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 façon plus intelligente de faire pousser le cerveau dans un plat

Les organoïdes cérébraux – les modèles à trois dimensions dérivés des cellules souches du cerveau humain – sont précieux pour étudier les maladies neurologiques, mais elles mûrissent généralement lentement, limitant leur utilité pour les conditions qui se développent au fil des décennies. Jusqu’à présent, les méthodes de stimulation nécessitaient une modification génétique (optogénétique) ou des courants électriques directs, ce qui peut endommager les neurones fragiles.

Gramos fonctionne en utilisant les propriétés optoélectroniques uniques du graphène pour convertir la lumière en indices électriques doux qui encouragent les neurones à se connecter et à communiquer. Cette stimulation imite les cerveaux réels de l’apport environnemental, stimulant le développement sans techniques 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 – essentiel pour étudier les maladies liées à l’âge dans un plat.”

Les résultats clés de l’étude comprennent:

• Développement plus rapide: l’utilisation régulière de Gramos a aidé les organoïdes cérébraux à former des connexions plus fortes, des réseaux mieux organisés et une communication plus avancée entre les neurones, même dans des modèles fabriqués à partir de patients d’Alzheimer.
• Sécurité et biocompatible: le graphène n’a pas nui aux neurones ni à la structure organoïde, même sur de longues périodes.
• Modélisation accrue de la maladie: les organoïdes d’Alzheimer à un stade précoce ont révélé des différences fonctionnelles dans la connectivité et l’excitabilité du réseau lorsqu’ils sont stimulés.
• Intégration robotique: les organoïdes stimulés au graphène étaient liés à un simple robot dans une boucle de rétroaction fermée, lui permettant de répondre aux indices visuels.

Du laboratoire à la recherche d’Alzheimer et au-delà

Parce que la stimulation accélère la maturation neuronale, les chercheurs peuvent étudier la progression de la maladie plus tôt et dans un contexte plus physiologiquement pertinent. Cela pourrait améliorer les délais de test de dépistage et fournir de nouveaux informations sur la façon dont les maladies comme Alzheimer Alter Cervely Circuit.

“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.”

Le cerveau rencontre la machine

Les organoïdes cérébraux interfacés avec le graphène deviennent sensibles à leur environnement et peuvent changer leurs réseaux neuronaux en réponse à la lumière. Cette neuroplasticité acquise offre un énorme avantage sur les puces informatiques dans les futures applications de l’intelligence artificielle (IA) en améliorant la capacité des systèmes d’IA à résoudre des problèmes complexes et imprévus et à offrir une plus grande tolérance et une fiabilité à la défaillance dans des applications critiques.

Dans une preuve de concept frappante, l’équipe a connecté des organoïdes cérébraux interfacés au graphène à un système robotique équipé de capteurs. Lorsque le robot a détecté un obstacle, il a envoyé un signal pour stimuler l’organoïde, ce qui a ensuite généré un modèle neuronal déclenchant le robot pour changer le cours, compliquant la boucle en moins de 50 millisecondes.

Bien que encore loin des machines conscientes, cette intégration laisse entendre les futurs systèmes neuro-biohybrides où les tissus neuronaux vivants et la robotique fonctionnent ensemble pour les prothèses avancées, les interfaces adaptatives ou même les nouvelles formes de calcul.

Cette étude est une étape majeure vers le déverrouillage du potentiel du graphène dans les neurosciences, la nanotechnologie et la neuro-ingénierie. La technologie pourrait conduire à de nouvelles façons de connecter les tissus de plus en plus complexes en forme de cerveau les uns aux autres – et même au cerveau lui-même.

La capacité de contrôler et d’accélérer le développement des organoïdes cérébraux ouvre la porte à les utiliser comme modèles puissants pour tester les thérapies pour les troubles cérébraux neurodégénératifs et développementaux, où les connexions endommagées peuvent perturber la capacité du cerveau à traiter et à répondre aux informations.

Au-delà de la recherche sur les maladies, l’approche pourrait être adaptée à l’ingénierie tissulaire, offrant un moyen non invasif et précis de stimuler d’autres types de tissus cultivés en laboratoire. Et en reliant les réseaux de neurones vivants aux machines, les chercheurs peuvent découvrir comment l’adaptabilité et l’apprentissage du cerveau pourraient améliorer les ordinateurs et la robotique – avec des applications futures possibles en 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.”