Інженери надрукували в лабораторії гнучкі штучні нейрони, здатні спілкуватися зі справжніми клітинами мозку мишей. Ці нейрони створювали три різних типи електричних сигналів, що нагадували імпульси, за допомогою яких нейрони живих істот спілкуються між собою. Такий підхід допоможе покращити сучасні нейроінтерфейси, які допомагають паралізованим людям говорити чи навіть ходити. Дослідження опублікували в журналі Nature Nanotechnology.
Навіщо мозок поєднують з електрикою?
Останніми роками відбувся прогрес у розробці комп’ютерних нейроінтерфейсів — приладів, які зчитують мозкову активність мозку та перетворюють її на команди для комп’ютера. Такі інтерфейси вже допомогли пацієнтам із паралічем озвучити свої думки, надрукувати текст, самостійно їсти й пити, керувати приладами в домі, грати в шахи та створювати відео на YouTube. Окрім цього, їх використовували для повернення зору пацієнту з пошкодженням очних нервів, лікування депресії, епілепсії та обсесивно-компульсивного розладу.
Але усі сучасні інтерфейси мають суттєве обмеження: їх потрібно вводити під час операцій на мозку, закріплюючи імпланти з зовнішнього боку черепа. Крім того, їхні матеріали не завжди сумісні з клітинами мозку. Коли ж науковці намагалися створити штучні нейрони з органічних матеріалів, швидкість передавання сигналів у них була значно нижчою, ніж у реальному мозку, тоді як у нейронах із використанням металів швидкість була зависокою. Тому науковці Північно-Західного університету в Іллінойсі, США, намагалися розробити штучні нейрони, що за будовою та функціями більше нагадуватимуть справжні.
Як науковці обійшли обмеження попередніх штучних нейронів?
Дослідники створили штучні нейрони за принципом мемристорів — елементів електричного кола, у яких один із шарів може проводити струм, коли до мемристора буде прикладена певна напруга. Нейрони надрукували з використанням дисульфіду молібдену та графену за допомогою аерозольного струменевого друку: спершу наносили шар дисульфіду молібдену та етилцелюлози, потім шар графену й знов шар дисульфіду молібдену.
Завдяки структурі цих штучних нейронів вони виявилися здатними до джоулівського нагрівання — коли крізь них проходив струм, у нейронах утворювалася тонка «нитка», крізь яку струм міг проходити далі. Утворення такої нитки зменшувало напругу на мемристорі та збільшувало його провідність. При цьому в штучних нейронах спостерігали ефект snap-back, тобто вони проводили струм тільки тоді, коли вхідний сигнал ставав достатньо сильним — як і справжні нейрони.
Далі науковці оцінили сумісність штучних нейронів зі справжніми. Спершу дослідники виміряли типи сигналів, які можуть генерувати ці нейрони, і з’ясували, що вони мають три типи імпульсів, притаманних живим клітинам. Серед них були чіткі поодинокі піки активності, постійне передавання сигналу, навіть після вимкнення початкового стимулу, та коливання електричної активності. Коли науковці приєднали штучні нейрони до зрізу мозочка миші, то виявили, що сигнали від мемристорів призводили до активації справжніх нейронів — і ті передавали сигнали далі.
Як штучні нейрони допоможуть у створенні кращих нейроінтерфейсів?
Науковці змогли створити штучний нейрон, який діє як клітини сітківки — сприймає світло та перетворює його на електричний сигнал для обробки мозком. Такий підхід може допомогти відновити зір у людей із дегенерацією сітківки, а в майбутньому дослідники сподіваються створити штучні нейрони, які відтворюватимуть роботу й інших органів чуттів. Також науковці передбачають, що здатність їхніх штучних нейронів створювати електричні сигнали в тому діапазоні, у якому спілкуються справжні, дозволить використовувати їх у біонічних протезах.
На додачу до цього, подібність штучних нейронів до справжніх може посприяти їхньому використанню в комп’ютерах, що імітують роботу людського мозку. Адже відомо, що людський мозок використовує енергію на п’ять порядків ефективніше, ніж сучасні комп’ютери.
Як живі організми стають частиною технологій
⚡️ Використання електричної передачі сигналів між нейронами замість хімічної, як вважають науковці, може допомогти з лікуванням психічних розладів.
🔫 Чип із людськими клітинами використали для того, щоб зіграти в комп’ютерну гру DOOM, — він впорався краще за випадковий алгоритм, але гірше за досвідчених гравців.
🪰 А от повністю оцифровану копію мозку плодової мушки використали для того, щоб покерувати її тілом у фізичній симуляції.