Новые искусственные нейроны стимулируют блуждающий нерв мыши
Максим Чубик, PCR.news
Создание искусственных нейронов важно не только для лучшего понимания функционирования естественной нервной ткани. Искусственные нейроны, способные производить такие же импульсы, как и природные нервные клетки, позволят создавать чувствительные нейропротезы с аутентичной моторикой. Для эффективной работы искусственных нейронов требуется минимальная сложность устройства и рабочие ионные механизмы. Исследователи из Университета Линчепинга в сотрудничестве с коллегами из Каролинского института (Швеция), разработали искусственный электрохимический нейрон, который точно имитирует 15 из 20 характеристик биологических нервных клеток и может стимулировать естественные нервы.
Искусственный нерв авторы назвали c-OECN (conductance-based organic electrochemical neuron). Технически c-OECN — это стеклянные пластины с электродами (хром и золото), несколькими последовательными фотолитографическими рисунками, пленкой проводящего полимера и электролитом (обычно водным раствором NaCl).
Ранее команда ученых из Университета Линчепинга продемонстрировала, как искусственный органический нейрон можно интегрировать в живое плотоядное растение, чтобы управлять открытием и закрытием его ловчего аппарата. Этот нейрон имел 2 из 20 характеристик биологической нервной клетки.
Нейроны в биологической сети взаимодействуют с помощью ионов и биомолекул. Они общаются либо химическим путем, испуская нейротрансмиттеры, либо с помощью электрических импульсов, так называемых «спайков». Генерация «спайков» определяется проводимостью ионных каналов в клеточной мембране, зависящей от напряжения, ионов и нейротрансмиттеров.
Традиционные искусственные нейроны из кремния могут эмулировать некоторые нейронные функции, но их сложно производить, они не биосовместимы и не способны воздействовать на живые клетки с помощью ионных механизмов. В c-OECN эта функция реальных биологических нейронов была успешно воспроизведена: ионы используются для управления электронным током через проводящий полимер, что приводит к скачкам напряжения в органическом нейроне. В искусственной нервной клетке можно увеличивать и уменьшать ток по почти идеальной колоколообразной кривой, которая напоминает активацию и инактивацию ионных натриевых или калиевых каналов у настоящих нейронов.
Ученые разработали две схемы c-OECN, одну на основе Na+ (Na-OECT) и другую — на основе K+ (K-OECT), соединенные с двумя источниками напряжения. Канал K-OECT имеет более толстый слой полимера n-типа (50 нм по сравнению с 20 нм для Na-OECT), чтобы обеспечить более высокие токи через калиевый канал. Скорость переключения между Na-OECT и K-OECT составляет около 0,5–1 мс, что сопоставимо со временем активации натриевых и калиевых каналов в биологических нейронах.
c-OECN дает «спайки» на аналогичных биологическим частотах, близких к 100 Гц, эмулирует стохастические всплески мембранных потенциалов и обеспечивает регуляцию «спайков» нейротрансмиттерами и ионами. Авторы продемонстрировали, что c-OECN обладает такими нейронными функциями, как тонические всплески, латентность, подпороговые колебания, интеграция, рефрактерность, резонанс, пороговая вариабельность, всплески отскока, аккомодация, фазовые всплески и возбудимость разных классов. Эти комбинированные функции невозможно достичь с использованием предыдущих технологий получения искусственных нейронов, которые только электрически эмулируют биологические аналоги, не принимая во внимание биологическую среду, состоящую из ионов и биомолекул.
Исследователи управляли настройками разных схем c-OECN с помощью вторичных ионов, таких как Ca2+ и нейротрансмиттеры. В биологических нейронах Ca2+ играет решающую роль в регуляции нейронной активности, модулируя открытие и закрытие натриевых и калиевых каналов, стимулируя высвобождение нейротрансмиттеров и даже регулируя метаболизм и рост клеток. Введение ионов Са2+ в электролит искусственных нейронов приводило к изменению ряда параметров. Помимо ионов, на характеристики электрохимических нейронов оказывали влияние гамма-аминомасляная кислота и глутамин.
Авторы в эксперименте показали, что c-OECN при подключении к блуждающему нерву мыши может стимулировать его, снижая частоту сердечных сокращений на 4,5%. Следующим шагом исследователей станет снижение энергопотребления искусственных нейронов, которое пока еще намного выше, чем у нервных клеток человека.
Статья Harikesh P.C., et al. Ion-tunable antiambipolarity in mixed ion–electron conducting polymers enables biorealistic organic electrochemical neurons опубликована в журнале Nature Materials.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru