Искусственные нейроны нового поколения почти не отличаются от настоящих
Сотрудники Университета Линчепинга (LiU) (Швеция) создали синтетический нейрон, почти точно имитирующий характеристики биологических нервных клеток. Это стало возможно благодаря новой технологии передачи ионов.
Первые попытки
Первым вариантом такой клетки стал искусственный органический нейрон, который затем в качестве эксперимента интегрировали в живое плотоядное растение. Речь идёт о растениях, которые способны заманивать в “ловушку” и съедать мелкие живые организмы, например, насекомых. В принципе, они могут “захватить” и человеческий палец, например, но, скорее всего, человеческая плоть окажется им не по зубам.
Хотя с помощью клетки удавалось управлять открытием и закрытием “пасти” растения, лишь две из её характеристик соответствовали параметрам настоящей биологической клетки.
В 2018 году эта же исследовательская группа разработала органические электрохимические транзисторы на основе полимеров n-типа, способных проводить отрицательные заряды. Их можно использовать для создания комплементарных органических электрохимических схем на гибкой подложке, а также для разработки искусственных нервных клеток.
Ионы для коммуникации
Недавно в журнале Nature Materials были опубликованы результаты очередного исследования группы органической наноэлектроники в Лаборатории органической электроники (LOE) во главе с доцентом Симоной Фабиано. Её участники разработали новый вариант искусственной нервной клетки — органический электрохимический нейрон (c-OECN), точно имитирующий 15 из 20 нейронных характеристик естественных биологических процессов.
По словам Фабиано, в отличие от традиционных искусственных нейронов, изготовленных из кремния, c-OECN используют для коммуникации ионы, подобно реальным биологическим нервным клеткам.
Здесь ионы применяются для управления потоком электронного тока через проводящий полимер n-типа. Это приводит к тому, что внутри устройства происходят скачки напряжения. Ток можно увеличивать или уменьшать по почти идеальной колоколообразной кривой, напоминающей график колебаний, соответствующих активации и инактивации ионных каналов натрия.
“Несколько других полимеров демонстрируют такое поведение, но только жёсткие полимеры устойчивы к беспорядку, что обеспечивает стабильную работу устройства”, — рассказывает Фабиано.
В сотрудничестве с Каролинским институтом (KI) Фабиано и его команда провели серию экспериментов, в ходе которых c-OECN подключили к блуждающему нерву мышей. В результате частота их сердечных сокращений повысилась на 4,5%.
Имитация принесёт пользу
Основное преимущество органических полупроводников состоит в том, что они являются гибкими и биосовместимыми. Что же касается применения разработки, то тут важно основное свойство нового вида синтетических нейронов — стимуляция блуждающего нерва, играющего ключевую роль в иммунной системе организма и обмене веществ. А это открывает существенные перспективы для лечения самых различных недугов. Возможно, новинка сумеет помочь тем, кто страдает неврологическими заболеваниями, вплоть до паралича.
Следующей задачей для исследователей является снижение энергопотребления искусственных клеток, которое пока остается значительно выше, чем у настоящих нейронов.
В общем, расти есть куда.
“Мы ещё многого не понимаем в человеческом мозге и нервных клетках, — говорит один из соавторов исследования, доктор Падинхаре Чолаккал Харикеш. — На самом деле, мы не знаем, как нервная клетка использует многие из этих 15 продемонстрированных функций. Имитация нервных клеток может позволить нам понять мозг лучше и создавать схемы, способные выполнять интеллектуальные задачи. У нас впереди долгий путь, но это исследование — хорошее начало”.
Ирина Шлионская