Обучаемые биогибридные нейроны
В 2017 году исследователи из Стэнфордского университета представили новое устройство из органических материалов, которое имитирует эффективный процесс обучения нервной системы с низким энергопотреблением. Это была искусственная версия синапса – пространства, через которое перемещаются нейромедиаторы для связи между нейронами. В 2019 году исследователи собрали девять искусственных синапсов в матрицу, показав, что они могут быть одновременно запрограммированы для имитации параллельной работы мозга.
В своем новом исследовании группа из Стэнфордского университета в сотрудничестве с исследователями из Итальянского технологического института и Эйндховенским технологическим университетом в Нидерландах протестировала первую биогибридную версию искусственного синапса и продемонстрировала, что он может связываться с живыми клетками. Будущие технологии, основанные на работе нового устройства, смогут функционировать, реагируя непосредственно на химические сигналы мозга.
В разных лабораториях разрабатывается много устройств, интегрируемых в мозговую ткань. И если другим устройствам для обнаружения и обработки мозговых сообщений требуется электрический сигнал, связь между стэнфордским искусственным синапсом и живыми клетками происходит посредством электрохимических реакций – словно он был бы еще одним нейроном, получающим сообщения от своего соседа.
Как учатся нейроны
Биогибридный искусственный синапс состоит из двух мягких полимерных электродов, разделенных желобом, который заполнен раствором электролита, подобно синаптической щели, разделяющей сообщающиеся нейроны в мозге. Если живые клетки расположить поверх одного электрода, нейротрансмиттеры, которые они выделяют, могут реагировать с ним с образованием ионов. Ионы затем проходят через щель ко второму электроду и модулируют его в проводящее состояние. Некоторые из этих изменений сохраняются, имитируя процесс обучения, происходящий в природе, который очень эффективен с точки зрения энергетики, потому что вычисления и хранение в памяти происходят в одном действии. В традиционных компьютерных системах данные сначала обрабатываются, а затем перемещаются в хранилище.
Чтобы проверить свое изобретение, исследователи использовали нейроэндокринные клетки крыс, которые высвобождают дофамин. Этот нейротрансмиттер провзаимодействовал с устройством и вызвал постоянное изменение в электродах после первой реакции.
Первый шаг
Биогибридный дизайн находится на ранней стадии, поэтому основной задачей нынешнего исследования было просто заставить его работать.
Теперь, когда исследователи успешно протестировали свое устройство, они ищут варианты для будущих исследований, которые могут включать работу с компьютерами, созданными на основе мозга, интерфейсами мозг-компьютер, медицинскими устройствами или новыми инструментами исследования в области нейробиологии. Уже сейчас авторы работают над тем, чтобы заставить устройство функционировать в более сложных биологических условиях, которые содержат различные виды клеток и несколько нейротрансмиттеров.
Статья S.T.Keene et al. A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity опубликована в журнале Nature Materials.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Stanford News Service: Stanford researchers develop artificial synapse that works with living cells.