Une équipe d’ingénieurs et de neuroscientifiques a démontré pour la première fois que des organoïdes cérébraux humains implantés dans des souris ont établi une connectivité fonctionnelle avec le cortex des animaux et ont répondu à des stimuli sensoriels externes. Les organoïdes implantés ont réagi aux stimuli visuels de la même manière que les tissus environnants, une observation que les chercheurs ont pu faire en temps réel pendant plusieurs mois grâce à un dispositif expérimental innovant qui combine des réseaux de microélectrodes transparentes en graphène et une imagerie à deux photons.
L’équipe, dirigée par Duygu Kuzum, membre du corps professoral du département de génie électrique et informatique de l’Université de Californie à San Diego, détaille ses conclusions dans le numéro du 26 décembre de la revue. Communication Nature. L’équipe de Kuzum a collaboré avec des chercheurs du laboratoire d’Anna Devor à l’Université de Boston ; le laboratoire d’Alysson R. Muotri à l’UC San Diego ; et le laboratoire de Fred H. Gage au Salk Institute.
Les organoïdes corticaux humains sont dérivés de cellules souches pluripotentes induites par l’homme, qui sont généralement elles-mêmes dérivées de cellules cutanées. Ces organoïdes cérébraux sont récemment apparus comme des modèles prometteurs pour étudier le développement du cerveau humain, ainsi qu’une gamme de conditions neurologiques.
Mais jusqu’à présent, aucune équipe de recherche n’avait été en mesure de démontrer que des organoïdes cérébraux humains implantés dans le cortex de souris étaient capables de partager les mêmes propriétés fonctionnelles et de réagir aux stimuli de la même manière. En effet, les technologies utilisées pour enregistrer les fonctions cérébrales sont limitées et sont généralement incapables d’enregistrer une activité qui ne dure que quelques millisecondes.
L’équipe dirigée par l’UC San Diego a pu résoudre ce problème en développant des expériences qui combinent des réseaux de microélectrodes en graphène transparent et l’imagerie à deux photons, une technique de microscopie qui peut imager des tissus vivants jusqu’à un millimètre d’épaisseur.
Aucune autre étude n’a été capable d’enregistrer optiquement et électriquement en même temps. Nos expériences révèlent que les stimuli visuels évoquent des réponses électrophysiologiques dans les organoïdes, correspondant aux réponses du cortex environnant. »
Madison Wilson, premier auteur de l’article et Ph.D. étudiant dans le groupe de recherche de Kuzum à l’UC San Diego
Les chercheurs espèrent que cette combinaison de technologies innovantes d’enregistrement neuronal pour étudier les organoïdes servira de plate-forme unique pour évaluer de manière exhaustive les organoïdes en tant que modèles de développement cérébral et de maladie, et étudier leur utilisation en tant que prothèses neurales pour restaurer la fonction des régions cérébrales perdues, dégénérées ou endommagées. .
« Cette configuration expérimentale ouvre des opportunités sans précédent pour les enquêtes sur les dysfonctionnements au niveau du réseau neuronal humain sous-jacents aux maladies cérébrales développementales », a déclaré Kuzum.
Le laboratoire de Kuzum a développé pour la première fois les électrodes transparentes en graphène en 2014 et fait progresser la technologie depuis lors. Les chercheurs ont utilisé des nanoparticules de platine pour réduire de 100 fois l’impédance des électrodes de graphène tout en les gardant transparentes. Les électrodes de graphène à faible impédance sont capables d’enregistrer et d’imager l’activité neuronale à la fois à l’échelle macroscopique et au niveau des cellules individuelles.
En plaçant un réseau de ces électrodes au-dessus des organoïdes transplantés, les chercheurs ont pu enregistrer électriquement l’activité neuronale de l’organoïde implanté et du cortex hôte environnant en temps réel. En utilisant l’imagerie à deux photons, ils ont également observé que les vaisseaux sanguins de la souris se développaient dans l’organoïde, fournissant les nutriments et l’oxygène nécessaires à l’implant.
Les chercheurs ont appliqué un stimulus visuel – une LED à lumière blanche optique – aux souris avec des organoïdes implantés, tandis que les souris étaient sous microscopie à deux photons. Ils ont observé une activité électrique dans les canaux d’électrodes au-dessus des organoïdes montrant que les organoïdes réagissaient au stimulus de la même manière que les tissus environnants. L’activité électrique s’est propagée à partir de la zone la plus proche du cortex visuel dans la zone des organoïdes implantés via des connexions fonctionnelles. De plus, leur technologie d’électrodes en graphène transparent à faible bruit a permis l’enregistrement électrique de l’activité de pointe de l’organoïde et du cortex de souris environnant. Les enregistrements de graphène ont montré des augmentations de la puissance des oscillations gamma et du verrouillage de phase des pointes des organoïdes aux oscillations lentes du cortex visuel de la souris. Ces résultats suggèrent que les organoïdes avaient établi des connexions synaptiques avec le tissu cortical environnant trois semaines après l’implantation et avaient reçu des informations fonctionnelles du cerveau de la souris. Les chercheurs ont poursuivi ces expériences multimodales chroniques pendant onze semaines et ont montré l’intégration fonctionnelle et morphologique d’organoïdes cérébraux humains implantés avec le cortex de la souris hôte.
Les prochaines étapes comprennent des expériences plus longues impliquant des modèles de maladies neurologiques, ainsi que l’incorporation de l’imagerie calcique dans la configuration expérimentale pour visualiser l’activité de pointe dans les neurones organoïdes. D’autres méthodes pourraient également être utilisées pour tracer des projections axonales entre l’organoïde et le cortex de souris.
« Nous prévoyons que, plus loin sur la route, cette combinaison de cellules souches et de technologies d’enregistrement neurologique sera utilisée pour modéliser la maladie dans des conditions physiologiques ; examiner les traitements candidats sur des organoïdes spécifiques au patient ; et évaluer le potentiel des organoïdes à restaurer des cellules spécifiques perdues, dégénérées ou endommagées. régions du cerveau », a déclaré Kuzum.
Les travaux ont été financés par les National Institutes of Health et le Research Council of Norway, ainsi que par la National Science Foundation.
