Микроэлектродные матрицы из углеродных нанотрубок позволяют масштабируемые и доступные электрофизиологические записи церебральных органоидов

Подслушивая миниатюрные человеческие мозги

Учёные всё чаще выращивают в лаборатории небольшие, упрощённые версии человеческого мозга — так называемые церебральные органоиды. Эти живые «микромозги» способны изменить подход к изучению развития мозга, неврологических заболеваний и новых лекарств. Но чтобы действительно понять, что делают органоиды, исследователям нужно подслушивать их электрическую активность — язык мозга. В этой статье представлен новый доступный платформенный подход, который значительно упрощает считывание этих сигналов сразу с большого числа органоидов, приближая масштабные эксперименты «мозг-на-чипе» к повседневной лабораторной практике.

Почему измерить активность микромозга сложно

Церебральные органоиды имитируют ключевые черты человеческого мозга, включая разнообразие типов клеток и спонтанную электрическую активность. Однако каждый органоид в некоторой степени уникален, и эта естественная вариабельность требует исследования большого числа образцов, чтобы получить надёжные выводы. Существующие инструменты для измерения электрической активности — такие как микрoэлектродные матрицы и тонкие зондовые электроды — обычно рассчитаны на плоские клеточные культуры, дороги в производстве и часто требуют специализированного чистого помещения и индивидуальных условий культивирования. Существуют трёхмерные решётки электродов, но их трудно изготовить, они низкопроизводительны и редко интегрируются в стандартные пластиковые планшеты, которыми пользуются большинство биолабораторий.

Корзина, которая бережно охватывает органоид

Авторы представляют новое устройство под названием CAMEO (Conformal Array for Monitoring Electrophysiology of Organoids). Каждый CAMEO начинается как плоский рисунок в виде «колеса» с двенадцатью тонкими электродными «спицами». При сборке это колесо превращается в конструкцию, похожую на корзину, которая подвешивается к крышке стандартной шестиштручной планшетки для культивирования. Когда органоид вносят в яму, гибкие спицы сгибаются внутрь и мягко обвивают его поверхность, образуя сеть, которая повторяет форму органоида, не фиксируя и не повреждая его. Такая корзинчатая форма размещает электроды вокруг органоида в трёх измерениях, а крышка подключается к готовым системам записи через тонкую печатную плату. Несколько CAMEO на одной крышке позволяют параллельно вести записи с множества органоидов.

Новые материалы для более дешёвых и прочных сенсоров

Вместо дорогих металлов, таких как золото или платина, электроды CAMEO изготовлены из плёнок однослойных углеродных нанотрубок, внедрённых в мягкий полимер. Команда разработала массовый процесс, при котором чистые нанотрубки растворяют в сильной кислоте, после чего они самособираются в свободностоящие плёнки сантиметрового размера на поверхности жидкости. Поскольку этот подход избегает агрессивной вибрации и поверхностно-активных веществ, которые обычно повреждают нанотрубки, полученные листы сохраняют высокую электрическую проводимость, гибкость и прочность при небольшой доле стоимости золота. Лазерная резка и простые этапы ламинации на бумаге для татуировок заменяют традиционную микрообработку, что позволяет производить десятки устройств параллельно без чистого помещения. Тесты показывают, что эти нанотрубочные электроды сохраняют стабильное сопротивление при многократном изгибе и имеют более низкую электрическую импедансу и лучшую передачу заряда по сравнению с золотом — свойства, улучшающие качество сигнала для слабых нейронных всплесков.

Доказательства того, что платформа работает

Сначала исследователи подтвердили, что устройства CAMEO способны обнаруживать очень маленькие, чётко определённые тестовые сигналы, пропущенные через солевой раствор, сохраняя форму волны несмотря на низкие применяемые напряжения. Затем они перешли к реальным органоидам. Человеческие кортикальные органоиды выращивали по установленным рецептурам и затем переносили в среду, поддерживающую мозг, известную тем, что усиливает нейронное спайкинг. После часа отдыха внутри корзин CAMEO органоиды генерировали чёткие электрические пики величиной 10–100 микровольт — типичные для нейронной активности — в то время как контрольные лунки без органоидов оставались тихими. Добавление глутамата, основного возбуждающего медиатора, или повышения концентрации калия вызывало увеличение числа и амплитуды пиков, подтверждая, что записанные сигналы ведут себя как подлинные нейронные ответы.

Обнаружение сигнатур заболеваний в масштабе

Чтобы продемонстрировать мощь высокопроизводительной записи, команда изучила органоиды, полученные от людей с синдромом Энджелмана — редким нейроразвивающим расстройством, вызванным потерей гена UBE3A в нейронах. Они записали сигналы с 34 органоидов — как типичных, так и с синдромом Энджелмана — выращенных параллельно. Органоиды с синдромом Энджелмана показали значительно меньшую амплитуду пиков по сравнению с контролями, что отчасти подтверждает ранее полученные результаты одиночных клеточных экспериментов, но теперь наблюдаемое в целой трёхмерной ткани. В целом платформа зарегистрировала активность 74 органоидов в разных экспериментах, что, по утверждению авторов, представляет собой наибольший набор электрофизиологических данных по церебральным органоидам на сегодняшний день и подчёркивает её способность работать с биологически разнообразными образцами.

Что это значит для будущих исследований мозга

Исследование демонстрирует, что недорогие гибкие корзины из углеродных нанотрубок, интегрированные в обычные планшеты для культивирования, могут надёжно записывать электрическую активность многих миниатюрных человеческих мозгов одновременно. Сочетая доступность, прочность и совместимость с повседневными лабораторными рабочими процессами, CAMEO снижает значительный барьер для масштабных функциональных исследований органоидов мозга. Практически это открывает путь к более систематическим исследованиям развития мозга, реакции на лекарства и генетических расстройств, где необходимы статистически обоснованные размеры выборки. По мере доработки платформы для долгосрочных записей и в сочетании с продвинутой обработкой данных она может стать стандартным инструментом для картирования того, как сложные нейронные сети формируются и нарушаются при здоровье и болезни.

Цитирование: Mishra, N., Kaveti, R., Liu, P. et al. Carbon nanotube microelectrode arrays enable scalable and accessible electrophysiological recordings of cerebral organoids. npj Biosensing 3, 20 (2026). https://doi.org/10.1038/s44328-026-00088-9

Ключевые слова: органоиды мозга, электрофизиология, микроэлектродные матрицы, углеродные нанотрубки, синдром Энджелмана