Forskare från Sanford Stem Cell Institute vid University of California San Diego har utvecklat en ny metod för att stimulera och mogna mänskliga hjärnorganoider med hjälp av grafen, ett kolskikt som är bara en atom tjockt.
Studien, som publicerats i Nature Communications, introducerar Graphene-Mediated Optical Stimulation (GraMOS), en säker, icke-genetisk, biokompatibel och icke-skadlig metod för att påverka nervaktiviteten under flera dagar till veckor.
Metoden påskyndar utvecklingen av hjärnorganoider, vilket är särskilt viktigt för modellering av åldersrelaterade sjukdomar som Alzheimers, och gör det till och med möjligt att styra robotar i realtid.
”Detta är en game changer för hjärnforskningen”, säger Alysson Muotri, Ph.D., korresponderande författare, professor i pediatrik och direktör för UC San Diego Sanford Stem Cell Institute Integrated Space Stem Cell Orbital Research Center.
”Vi kan nu påskynda mognaden av hjärnorganoider utan att förändra deras genetiska kod, vilket öppnar dörrar för sjukdomsforskning, hjärn-maskin-gränssnitt och andra system som kombinerar levande hjärnceller med teknik.”
Ett smartare sätt att odla hjärnan i en skål
Hjärnorganoider – tredimensionella modeller av den mänskliga hjärnan som härrör från stamceller – är värdefulla för att studera neurologiska sjukdomar, men de mognar vanligtvis långsamt, vilket begränsar deras användbarhet för tillstånd som utvecklas under årtionden. Hittills har stimuleringsmetoderna antingen krävt genetisk modifiering (optogenetik) eller direkt elektrisk ström, vilket kan skada de ömtåliga nervcellerna.
GraMOS fungerar genom att använda grafenets unika optoelektroniska egenskaper för att omvandla ljus till milda elektriska signaler som uppmuntrar nervcellerna att ansluta sig och kommunicera. Denna stimulering efterliknar den miljö som riktas mot riktiga hjärnor och driver utvecklingen utan invasiva tekniker.
”Med hjälp av grafen och ljus kunde vi stimulera nervcellerna att bilda kopplingar och mogna snabbare, utan traditionella optogenetiska verktyg”, säger Elena Molokanova, Ph.D., medförfattare och verkställande direktör samt uppfinnare av GraMOS-tekniken vid NeurANO Bioscience. ”Det är som att ge dem en mild knuff för att växa snabbare – vilket är viktigt för att studera åldersrelaterade sjukdomar i en petriskål.”
De viktigaste resultaten av studien är:
- Snabbare utveckling: Regelbunden användning av GraMOS hjälpte hjärnorganoider att bilda starkare kopplingar, bättre organiserade nätverk och mer avancerad kommunikation mellan nervceller – även i modeller gjorda av Alzheimerpatienter.
- Säker och biokompatibel: Grafen skadade inte nervcellerna eller organoidstrukturen, inte ens under långa perioder.
- Förbättrad sjukdomsmodellering: Organoider i tidigt skede av Alzheimers sjukdom visade funktionella skillnader i nätverksanslutning och excitabilitet när de stimulerades.
- Robotintegration: Grafenstimulerade organoider kopplades till en enkel robot i en sluten återkopplingsslinga, vilket gjorde att den kunde reagera på visuella signaler.
Från laboratoriet till Alzheimerforskning och vidare
Eftersom stimulering påskyndar nervcellernas mognad kan forskarna studera sjukdomsförloppet tidigare och i ett mer fysiologiskt relevant sammanhang. Detta kan förbättra tidsramarna för läkemedelsprövningar och ge nya insikter om hur sjukdomar som Alzheimers förändrar hjärnans kretsar.
”Vår teknik överbryggar en kritisk lucka i organoidforskningen”, säger Alex Savchenko, Ph.D., medförfattare och verkställande direktör för Nanotools Bioscience. ”Den erbjuder ett tillförlitligt, repeterbart sätt att aktivera neuroner, vilket kan förändra både grundläggande neurovetenskap och translationella studier.”
Hjärnan möter maskinen
Hjärnorganoider som är kopplade till grafen blir mottagliga för sin omgivning och kan ändra sina neuronala nätverk som svar på ljus. Denna förvärvade neuroplasticitet erbjuder en enorm fördel jämfört med datorchips i framtida tillämpningar av artificiell intelligens (AI) genom att förbättra AI-systemens förmåga att lösa komplexa, oförutsedda problem och erbjuda större feltolerans och tillförlitlighet i kritiska tillämpningar.
I ett slående proof-of-concept kopplade teamet hjärnorganoider med grafen till ett robotsystem utrustat med sensorer. När roboten upptäckte ett hinder skickade den en signal för att stimulera organoiden, som sedan genererade ett neuralt mönster som fick roboten att ändra kurs – och slutförde slingan på under 50 millisekunder.
Även om vi fortfarande är långt ifrån medvetna maskiner, antyder denna integration framtida neuro-biohybridsystem där levande nervvävnad och robotik samverkar för avancerade proteser, adaptiva gränssnitt eller till och med nya former av beräkningar.
Denna studie är ett stort steg mot att frigöra grafenets potential inom neurovetenskap, nanoteknik och neuroteknik. Tekniken kan leda till nya sätt att koppla samman allt mer komplexa hjärnliknande vävnader med varandra – och till och med med hjärnan själv.
Möjligheten att styra och påskynda utvecklingen av hjärnorganoider öppnar dörren för att använda dem som kraftfulla modeller för att testa behandlingar av neurodegenerativa och utvecklingsrelaterade hjärnsjukdomar, där skadade kopplingar kan störa hjärnans förmåga att bearbeta och reagera på information.
Utöver sjukdomsforskning kan metoden anpassas för vävnadsteknik och erbjuda ett icke-invasivt, precist sätt att stimulera andra typer av laboratorieframställda vävnader. Genom att koppla levande neurala nätverk till maskiner kan forskare upptäcka hur hjärnans anpassningsförmåga och inlärning kan förbättra datorer och robotik – med möjliga framtida tillämpningar inom artificiell intelligens.
”Detta är bara början”, säger Muotri. ”Kombinationen av grafenets mångsidighet och hjärnans organoidbiologi kan omdefiniera vad som är möjligt inom neurovetenskapen, från att förstå hjärnan till att skapa helt nya tekniska paradigmer.”
Mer information: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62637-6
