Connected Organoids

Neural organoids offer valuable opportunities to study neural mechanisms, however they still face many limitations in recapitulating the actual human brain. For instance, they grow only very little in size, up to a few millimeters, which represents only a small fraction of the actual human brain. At the same time, the human brain consists of numerous interconnected brain regions and the interactions between these local neural circuits generate the brain's complex cognitive functions. While these small organoids are successful in mimicking local functional circuits of the brain, reproducing the brain’s unique macroscopic circuits and modelling interregional interactions has been challenging. We have developed a method to mimic such macroscopic interregional circuits by connecting neural organoids via bundled axons. This will increase network size of the system and model a more accurate representation of our brain, which will make organoids more useful as a model and facilitate studies.

脳オルガノイドは神経機構を研究する貴重なツールですが、実際の人間の脳を完全に再現するには依然として多くの課題があります。例えば、そのサイズは数ミリメートル程度に限られ、実際の人間の脳のごく一部に過ぎません。また、人間の脳は複数の脳領域が相互に接続され、それらの局所的な神経回路の連携によって高度な認知機能が生み出されています。現在のオルガノイドは、脳の局所的な機能回路をある程度再現することには成功していますが、領域間の相互作用をモデル化し、脳全体の回路構造を再現することはまだ困難です。そこで私たちは、束状の軸索を介して複数の脳オルガノイドを接続することで、こうした広範な神経回路を模倣する方法を開発しました。この手法により、ネットワークの規模が拡大し、より実際の脳に近いモデルが構築できるため、オルガノイドの研究ツールとしての有用性が向上し、神経科学の理解がさらに深まることが期待されます。

IPSCs are added into a u-shaped well plate where they self-assemble and aggregate together to form a small round cluster called embryoid body. When specific signal molecules are added to the cells, they will slowly start developing into neurons. After 4 weeks of growing, organoids reach a maturation stage where they can grow long axons. Then organoids are added into microfluidic chip that contains 2 or more chambers that are interconnected with a thin channel. Organoids in the chamber will start extending axons in all directions, however, given the physical restriction of the chip, axonal outgrowth is guided along the channel until it reaches the neighboring chamber. After 2 weeks in the chip, axons are connected with the organoid in the neighboring channel and from an axon bundle that is connected reciprocally. In this way, two three or four organoids can be connected and used to study neural circuits.

iPS細胞はU字型のウェルプレートに導入され、そこで自己集合し、胚様体と呼ばれる小さな球状のクラスターを形成します。特定のシグナル分子を加えることで、細胞は徐々に神経細胞へと分化を開始します。4週間の培養を経ると、オルガノイドは成熟し、長い軸索を伸ばすことができるようになります。そこでオルガノイドは、複数のお部屋が細いチャネルで相互接続されたマイクロ流体チップに移されます。お部屋内のオルガノイドは軸索をあらゆる方向に伸ばし始めますが、チップの物理的な構造により、軸索はチャネルに沿って誘導され、隣接するチャンバーへと伸びていきます。2週間後には、軸索が隣接するお部屋につき、形成された軸索束を介して他のオルガノイドと接続されます。この方法により、2個、3個、または4個のオルガノイドを相互に接続し、神経回路の研究に活用することができます。

Using microfluidic chip enables the possibility to connect many organoids and create a large organoid network. In this way 18 organoids can be connected. Combining this technology with high-density microelectrode arrays (HD-MEA) allows to capture the cells’ electrical communication and manipulate them through electrical stimulation at high spatial and temporal resolution. This integration of stem cell-based organoids and HD-MEA technology advances neuroscience and engineering, allowing researchers to study brain function in detail. It envisions a future where brain circuits are replicated on a chip and studied to advance our understanding of human cognition, AI, and medical technologies for future societies.

マイクロ流体チップを活用することで、多数のオルガノイドを接続し、大規模なオルガノイドネットワークを構築することが可能になります。この技術を応用すれば、18個のオルガノイドを相互接続することもできます。さらに、高密度微小電極アレイ（HD-MEA）と組み合わせることで、細胞の電気的通信を捉え、電気刺激を用いて高い空間・時間解像度で細胞を操作することが可能になります。幹細胞由来のオルガノイドとHD-MEA技術の統合により、神経科学と工学の発展が促され、脳機能の研究が進むことが期待されます。この技術は、チップ上で脳回路を再現し、人間の認知、AI、医療技術の理解を深めるための研究を推進する未来を描いています。