Команда ученых из Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH) под руководством профессоров Дон-У Чо и Джины Чанг создала трехмерную модель мозга, которая почти неотличима от настоящего человеческого мозга. Исследование опубликовали в International Journal of Extreme Manufacturing — одном из ведущих научных журналов в области материалов и технологий.

Болезни вроде Альцгеймера и Паркинсона сложно остановить, когда они уже начались, поэтому так важно научиться их предсказывать. Но мозг — самый загадочный орган: миллиарды нейронов, сложные связи, сигналы, о которых мы до сих пор знаем мало.

Недавние исследования показали, что даже обычное употребление алкоголя может вредить нейронам. Это еще раз доказывает: нужны точные лабораторные модели, которые повторяют работу человеческого мозга. Обычные двумерные клеточные культуры и органоиды из стволовых клеток с этим не справляются — они слишком упрощенные.

Ученые из POSTECH придумали решение: Bioengineered Neural Network (BENN) — трехмерную искусственную нейросеть, которую напечатали слой за слоем, как дом на 3D-принтере. Главная фишка модели — разделение на серое вещество  (тела нейронов) и белое вещество  (аксоны, по которым идут сигналы).

Разделение искусственной ткани на зоны, которые повторяют строение настоящего органа, называется биомиметической компартментализацией. В данном случае модель мозга разделили на серое и белое вещество, как у человека.

Исследователи стимулировали нейроны электричеством, чтобы аксоны росли в нужном направлении, и создали работающую нейросеть, почти как в настоящем мозге. Потом они проверили, как передаются сигналы, и убедились: модель реагирует так же, как живая ткань.

А еще ученые проверили, как алкоголь влияет на мозг. Три недели они добавляли в модель этанол в концентрации 0,03% — примерно как при умеренном употреблении. В сером веществе вырос уровень белков, связанных с Альцгеймером (бета-амилоид и тау-белок). В белом веществе аксоны начали разбухать и деформироваться, а сигналы стали слабее. Это первый случай, когда удалось в реальном времени увидеть, как алкоголь вредит разным отделам мозга.

Профессор Дон-У Чо:

Теперь мы можем детально изучать связи между нейронами и их реакцию — раньше это было почти невозможно. Это поможет раньше выявлять болезни и точнее тестировать лекарства.

Профессор Джина Чанг:

Мы сделали важный шаг к тому, чтобы изучать ранние стадии болезней мозга в лаборатории.

Этот искусственный мозг — не просто научное достижение. Он может:

• Ускорить тестирование лекарств — вместо долгих испытаний на животных можно быстро проверять препараты на модели.
• Помочь понять, как начинаются болезни — например, увидеть первые изменения при Альцгеймере до появления симптомов.
• Изучить влияние токсинов — не только алкоголя, но и наркотиков, тяжелых металлов, пестицидов.
• Снизить стоимость исследований — выращивать органоиды дорого, а печатать 3D-модели дешевле.

Но главное — это шаг к персонализированной медицине. В будущем можно будет создавать модели из клеток конкретного пациента и подбирать лечение именно для него.

Однако модель все еще упрощенная: в ней нет глии (клеток, которые поддерживают нейроны), кровеносных сосудов и иммунных реакций. Алкогольный эксперимент — это только начало: концентрация этанла была постоянной, а в реальности люди пьют по-разному. Нужны дополнительные исследования, чтобы понять, насколько точно модель повторяет реакции живого мозга.

Ранее ученые разработали новую модель для изучения развития и заболеваний мозжечка.