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CHAMPAIGN, Ill. – Lorsqu’il s’agit de former des neurones pour l’ingénierie tissulaire ou des applications biomédicales, une nouvelle étude suggère un paramètre clé: Former les jeunes.

Les techniques d’entraînement neuronales planifiées incluent généralement leur entraînement une fois que les cellules ont complètement mûri. Des chercheurs d’Urbana-Champaign, Université de l’Illinois, ont observé des neurones photosensibles dérivés de cellules souches de souris, constatant que leur formation au développement cellulaire précoce et à la formation de réseaux conduisait à des améliorations durables des connexions, de la réactivité et de l’expression des gènes au réseau neuronal. Ils ont publié leurs résultats dans un rapport scientifique.

«C’est comme un vieux chien qui apprend de nouveaux tours contre un jeune chiot», a déclaré l’étudiant diplômé Gelson Pagan-Diaz, premier auteur de l’étude. “Lorsque nous pratiquons le filet, si nous le stimulons alors qu’il est encore comme un chiot, nous pouvons obtenir une meilleure réponse à l’entraînement que s’il était déjà mature.”

L’amélioration de la formation nerveuse a de nombreuses applications en médecine bio et régénérative. L’équipe de l’Illinois, par exemple, espère utiliser des circuits neuronaux formés pour contrôler le mouvement et le comportement de petits dispositifs biohybrides. Les types d’améliorations obtenues dans l’enseignement précoce pourraient donner aux machines et aux circuits plus de fonctions et donner aux chercheurs un contrôle plus précis sur ces fonctions.

«Alors que nous progressons dans la construction de machines à cellules vivantes, la capacité de stimuler et de programmer les cellules nerveuses et les réseaux avec de la lumière à un stade précoce de leur développement pourrait être un outil important dans notre entrepôt technologique», a déclaré le directeur de recherche Rashid Bashir, professeur de bio-ingénierie. et doyen du Grainger College of Engineering de l’Illinois. “De plus, ces travaux peuvent avoir des implications pour la biologie du développement, la médecine régénérative et la recherche sur le cerveau.”

Pour entraîner les neurones, les chercheurs ont utilisé des impulsions lumineuses chronométrées pour stimuler les cellules. Les chercheurs ont commencé le programme d’exercices à un stade précoce des cellules – des grappes de cellules souches appelées morceaux embryonnaires ont été initialisées pour devenir des nerfs moteurs. Ils ont continué à s’entraîner à mesure que les cellules se différenciaient, se transformant en neurones pleinement matures, et ont continué à le faire après avoir transféré les cellules sur des plaques pour se connecter et former des circuits neuronaux.

Ils ont ensuite comparé les circuits formés tôt aux circuits cultivés pour la première fois et formés plus tard – la méthode habituelle.

Les chercheurs ont vu un certain nombre de différences entre les groupes, a déclaré Pagan-Diaz. Au cours du développement dans des neurones entraînés, ils ont vu plus d’expansions montrant des connexions intercellulaires, une augmentation du nombre de paquets de médiateurs envoyés entre les cellules et un déclenchement nerveux plus structurel, indiquant une plus grande stabilité du réseau. Les effets de l’entraînement précoce ont été durables, tandis que les cellules entraînées plus tard ont généralement reçu des réponses transitoires.

“Vous pourriez penser que les neurones sont comme les athlètes dans les exercices”, a déclaré Pagan-Diaz. “La stimulation lumineuse était comme un entraînement régulier pour les cellules nerveuses – elles étaient plus fortes et plus sportives et faisaient mieux leur travail.”

Pour déterminer le contexte de ces changements, les chercheurs ont analysé l’activité génétique des neurones. Ils ont constaté une augmentation de l’expression des gènes dans les gènes liés à la maturité du réseau et au système nerveux, indiquant que l’éducation précoce aurait pu modifier de manière permanente les voies génétiques à mesure que les cellules évoluaient, a déclaré Bashir.

Les chercheurs poursuivent leurs recherches sur les activités qui pourraient être améliorées ou programmées avec un entraînement neuronal précoce au stade du corps embryonnaire. Les corps embryonnaires pourraient être des éléments de base utiles dans les machines biologiques, a déclaré Pagan-Diaz, et ils sont également prometteurs pour la médecine régénérative.

«Des études antérieures ont montré que les embryons implantés chez des souris blessées avec des neurones d’exercice peuvent améliorer la régénération tissulaire», a déclaré Pagan-Diaz. “Si nous pouvons améliorer ou améliorer la fonctionnalité de ces organes embryonnaires avant de les placer dans le modèle blessé, alors en théorie, nous pourrions améliorer la récupération plus que ce qui a été vu en les injectant et en les stimulant plus tard.”

La National Science Foundation a soutenu ce travail à travers les comportements émergents du Centre scientifique et technologique des systèmes cellulaires intégrés et le stage de recherche sur les machines cérébrales miniatures. Le personnel de recherche Jenny Drnevich, les étudiants diplômés Karla Ramos-Cruz et Richard Sam et le professeur Perijat Sengupta en bio-ingénierie de l’Université de l’Illinois à Chicago étaient des assistants à la rédaction.

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