При инсульте, черепно-мозговых и спинальных травмах прежде всего гибнут нейроны, а во взрослом мозге они восстанавливаются очень медленно и не полностью. Это значит, что утраченная функция не возвращается в полном объеме. Способов частичного лечения много, но напрямую с первопричиной работают лишь два: интерфейсы мозг-компьютер (BCI), которые обходят повреждение, и пересадка нейрональных органоидов – выращенных «в пробирке» сгустков нервной ткани, которые заменяют погибшие клетки. В обзорной статье, опубликованной в Advanced Science, исследователи разбирают подход, объединяющий обе технологии так, чтобы каждая закрывала слабые места другой.
Графический абстракт статьи
Общей проблемой инсультов, травм спинного и головного мозга остается то, что взрослые нейроны практически не восстанавливаются. Такие травмы на всю жизнь остаются с человеком, ограничивая движения и чувствительность.
Существующие решения делятся на три группы.
1) Те, которые уменьшают вторичный ущерб от травмы. К ним относятся хирургия, реабилитационная практика, лекарства, они направлены на облегчение жизни пациента с существующей травмой, но не устраняют первопричину повреждения.
2) Те, которые на ограниченный период времени решают саму первопричину травмы – интерфейсы мозг-компьютер (BCI). Эти небольшие устройства могут компенсировать утерянные способности человека в обход повреждения. Тем не менее неинвазивные варианты плохо работают при повреждениях в труднодоступных зонах и больше подвержены влиянию помех в сигналах, в то время как инвазивные решения хоть и точны, но нестабильны и небезопасны.
3) Те, которые решают первопричину биологическим путем. Трансплантация новых нейронов на место отмерших считается одним из самых перспективных решений, но проблема в том, что пересаженные нейроны соединяются хаотично с клетками, плохо снабжаются кровью и могут отторгаться организмом.
Авторы новой обзорной статьи с разных сторон рассматривают компромиссное совмещение двух последних подходов – BCI вместе с органоидами. Органоидами называют искусственно выращенные скопления нервных клеток. Идея метода состоит в том, чтобы одновременно сделать точнее и эффективнее оба подхода: за счет новых нейронов заменить поврежденную ткань и восстановить ее, а за счет способности BCI передавать и обрабатывать сигналы, наладить сам контакт в области повреждения.
Эти системы дополняют друг друга и в краткосрочной, и в долгосрочной перспективе за счет нескольких приемов. Во-первых, элементы этой системы регулируют друг друга и точно подстраиваются за короткий срок под конкретного пациента, чего труднее достигнуть при иных подходах. Формируется цикл, при котором BCI одновременно считывает сигналы от мозга и на их основе стимулирует органоид для соответствующего формирования, а органоид четче передает сигналы за счет того, что заменяет мертвую ткань и также поставляет BCI информацию для его обучения.
Помимо адаптации под пациента, такое устройство способно за счет встроенных в BCI биосенсоров отслеживать состояние органоида и то, насколько он приживается в новых обстоятельствах.
Для облегченной адаптации берут незрелые колонии нейронов. Они еще не сформировали сложную внутреннюю организацию и под управлением BCI дают предсказуемые реакции. Пересаживают их, как правило, в те модели, где ткань не отторгается.
Основные проблемы наблюдаются как раз при пересадке такого устройства пациенту. Например, даже самой точной пересадки электрода вместе с органоидом на место повреждения будет недостаточно. Как минимум потому, что жесткий электрод между мягкой студенистой тканью нейронов, пульсирующей от тока спинномозговой жидкости и кровеносных сосудов, все равно продолжает травмировать окружающую ткань. В итоге на месте имплантации усилятся воспаление и рубцевание.
Среди рассмотренных в статье решений исследователи предлагают встраивать электронику внутрь культивируемых нейронов еще на стадии развития органоида, чтобы нервная ткань травмы контактировала только с такой же студенистой нервной тканью органоида. Так электрод оказывается надежно защищенным от иммунного ответа реципиента на инородный предмет в месте травмы, а также при таком подходе можно еще до трансплантации четко отслеживать формирование синапсов у нейронов и уже тогда калибровать работу BCI.
Другим способом снизить давление на нейронную ткань могут быть так называемые проникающие интерфейсы. Они представляют собой массив микроигл или нанопроволок, который вводится прямо в органоид. Такая система также защищена от иммунитета пациента и дает более четкие и глубокие сигналы BCI, но чревата множественным рубцеванием еще до трансплантации.
Затем следует самый сложный этап – период приживания нового устройства. И здесь у ученых тоже есть несколько приемов. Например, исследователи выяснили, что электростимуляция органоидов in vitro ускоряла созревание нейронов, а при пересадке значительно снижала рубцевание и местное воспаление. Второй прием с взаимообучением системы органоид-BCI уже упоминался: BCI обучается и калибруется под пациента на сигналах от органоида и нервной ткани пациента, а органоид формируется в более сложную и соответствующую области пересадки ткань.
Среди прочих проблем есть и ряд нерешенных. К примеру, из-за того, что органоиды до пересадки остаются в раннем, «эмбриональном» состоянии, слабо миелинизированы, а сигналы торможения и возбуждения у них не сбалансированы, глия не созрела, дальнейшую судьбу таких клеток после трансплантации тяжело предугадать. Часть из них и вовсе может вернуться в плюрипотентное состояние. Сам же момент формирования нейронов до степени, когда они будут вести себя достаточно стабильно, но при этом не будут формировать сложных сигналов, на данный момент не найден, а значит и не найдено лучшее время трансплантации.
Вторая проблема также связана с органоидами – образуемые ими клетки нервной ткани по качественному составу могут значительно разниться и практически никогда не похожи друг на друга. Это объясняется генетикой донора, системой культивирования и нестабильностью образованных клеток. Исследователи предлагают автоматизировать этот процесс производства, чтобы исключить человеческий фактор, а также для оценки качества органоидов использовать не только «сформированность» электрических сигналов, но и различные методы визуализации молекулярной зрелости нейронов вроде оптогенетики и кальциевой визуализации.
Отдельным блоком проблем остаются этические проблемы, возникающие с внедрением такой технологии. На данный момент считается, что искусственно культивируемые нейронные органоиды не имеют собственного сознания, и поэтому их пересадка этична, но этот вопрос все еще до конца не закрыт. Другая проблема – сам факт считывания нейронных сигналов с помощью BCI, который может считывать не только сигналы о движении в спинном мозге, но и, например, мысли в головном мозге, а это уже вторжение в приватность сознания. Где проходит граница допустимого в других областях ЦНС и какие регуляторные меры нужно накладывать на такие технологии, также остается открытым вопросом.
Таким образом, объединение BCI и нейронных органоидов решает множество проблем этих технологий по отдельности – удается снизить иммунную реакцию и рубцевание, за счет взаимного обучения компонентов персонализировать лечение и сделать трансплантацию более контролируемой и долговременной. Но исследователи пока лишь в начале этого пути.
Текст: Рената Тулакина
Organoid Brain-Machine-Interface Devices for Central Nervous System Repair by Yantao Xing et al. in Advanced Science. Published April 2026
