Британські дослідники описали технологію створення штучних нейронів та нервів із м'яких та біосумісних матеріалів. Їхні досліди вказують, що штучні нейрони здатні передавати електрохімічну інформацію, подібно до справжніх нервових клітин, зокрема незалежно одне від одного, будучи паралельно з'єднаними у синтетичний нерв. Свою розробку науковці описали в журналі Nature Chemistry.
IMGMIDI / Pixabay
Навіщо нам штучні нейрони та нерви?
Поєднання електроніки та біологічних тканин набуває дедалі більшого поширення у різних сферах науки й технологій. Наприклад, в напрямку нейрокомп'ютерних інтерфейсів, що, як на те натякає назва, поєднують нервову систему із комп'ютером. Завдяки цьому стає можливим керування машинами силою думки, зокрема повернення втрачених фізичних можливостей (чи навіть набуття додаткових). Технологія вимагає імплантації до нервової системи електродів, які далекі за структурою від природних тканин, через що схильні деградувати, травмувати живі тканини та відмежовуватися від них рубцем, що зменшує їхню ефективність. Та і загалом їхня ефективність все ще не сягає рівня роботи самої нервової системи.
Обійти обмеження науковці намагаються створенням м'яких і гнучких аналогів звичним електродам, що за роботою будуть більше схожі на нейронні структури. Хіміки Оксфордського університету теж працюють над розв'язанням проблеми, і вже запропонували власне бачення.
Що вдалося створити науковцям?
Вчені описали те, що назвали штучними нейронами та нервами із м'яких біосумісних матеріалів. Це бездротові, віддалено контрольовані пристрої, які отримують енергію від джерела світла та мають потенціал обмінюватися електрохімічними сигналами, як і справжні клітини. Самі штучні нейрони побудовані із кількох складових, що уподібнюють їх за функціями до паличок сітківки: чутливої частини, утвореної водними краплями світлочутливого бактеріального білка археродопсину-3; аналогу аксона із крапель гідрогелю; та послідовно приєднаних до «аксону» двох водних крапель, першу з яких наповнили нейротрансмітером АТФ. Найдовший такий штучний нейрон мав 25 міліметрів, що порівнянно з довжиною людського зорового нерва. Ширина аксона сягала 0,7-1 міліметра, що теж вписується в природний діапазон, щоправда, у верхню його межу (гігантський кальмар (Architeuthis dux) має аксони шириною 0,5-1,5 міліметра).
Оскільки в природі нейрони формують нерви, то науковці вирішили зробити те саме з їхніми творіннями. Вони поєднали сім штучних нейронів у єдиний пучок, покривши їх разом та по одному синтетичним полімерним покриттям. Воно слугувало фізичному розмежуванню та електричній ізоляції аксонів, подібно до мієлінової оболонки справжніх нейронів.
А як показали себе штучні нейрони й нерви на практиці?
Вчені перевірили, чи годяться для передачі нейротрансмітерів їхні штучні нейрони. Для цього їх освітили жовто-зеленим світлом, до якого чутливий внесений у структуру білок. Як з'ясувалося, це провокує перенесення крізь мембрану «нейронів» іонів водню, спричиняючи поширення нервового імпульса штучною клітиною. Досягаючи іншого кінця «аксона», електричний сигнал змушує АТФ вивільнятися з першої краплини в другу. Як і в справжніх нейронах, де досягаючи синапса, нервовий імпульс змушує нейрон вивільняти нейротрансмітери, що вловлюються сусідніми клітинами. Таким чином, науковцям вдалося зімітувати природну передачу іонних та хімічних сигналів у штучних структурах.
b) Схематичне зображення передачі сигналу штучним нейроном. Червоним позначено краплю зі світлочутливим білком, у якій світлом ініціюється нервовий імпульс, що передається штучним аксоном (синій). Дійшовши до пресинаптичної, першої кінцевої краплі, він зумовлює вивільнення нейротрансмітера АТР, що передається постсинаптичній, другій краплі. с) Фото штучного нейрона, де 1 - чутливі краплі, 2 - аксон, 3 - пресинаптична, перша крапля з нейротрансмітером, 4 - постсинаптична, друга крапля. d) Пучок нейронів в ізолювальному полімері, що імітує нерв. Charlotte E. G. Hoskin et al. / Nature Chemistry, 2022
Відтак вчені перевірили, як передаватиметься сигнал в імітованому нерві, у якому паралельні нейрони ізольовані одне від одного та мають незалежно передавати сигнал. Тож вони стали освітлювати кожний із семи штучних нейронів у пучку за різним режимом (варіювали частоти хвиль та тривалість освітлення), щоб простежити, чи їхня сигналізація не змішується. І результати вказують, що сигнали штучних нейронів успішно відбивають характер освітлення, тобто штучні нейрони об'єднані в пучок все ще можуть одночасно і незалежно передавати інформацію.
Тож вчені показали, що є можливість зімітувати роботу нервової системи, здійснивши електрохімічну комунікацію штучних нейронів. Поки що технологія представлена у дуже сирому вигляді й потребує доопрацювань. Зокрема, штучні нейрони залишалися функціональними щонайменше протягом тижня, але при повторних використаннях і навантаженнях різними молекулами час служби може скорочуватися. Але автори сподіваються, що зрештою їхня розробка посприяє новій біоелектроніці, яка знайде використання в нейроробототехніці та нейропротезуванні.