Созданы искусственные нейроны — почти как биологические нервные клетки
Искусственный органический нейрон, который точно имитирует характеристики биологических нервных клеток, создан исследователями из Университета Линчепинга (LiU), Швеция. Этот искусственный нейрон может стимулировать живые нервы, что делает его многообещающей технологией для различных медицинских процедур в будущем.
Работа по разработке все более функциональных искусственных нервных клеток продолжается в Лаборатории органической электроники LOE. В 2022 году группа ученых во главе с доцентом Симоной Фабиано продемонстрировала, как искусственный органический нейрон можно интегрировать в живое плотоядное растение, чтобы управлять открытием и закрытием его пасти. Эта синтетическая нервная клетка соответствовала 2 из 20 характеристик, отличающих ее от биологической нервной клетки.
В своем последнем исследовании, опубликованном 12 января в журнале Nature Materials, те же исследователи из LiU сообщили про новую искусственную нервную клетку под названием «органический электрохимический нейрон на основе проводимости» или c-OECN, которая точно имитирует 15 из 20 нейронных особенностей, которые характеризуют биологические нервные клетки, делая их работу более похожей на естественные нервные клетки.
— Симоне Фабиано, главный исследователь группы органической наноэлектроники в LOE.
В 2018 году эта исследовательская группа в Университете Линчепинга одной из первых разработала органические электрохимические транзисторы на основе проводящих полимеров n-типа, материалов, способных проводить отрицательные заряды. Это позволило построить комплементарные органические электрохимические схемы, пригодные для печати. С тех пор группа работает над оптимизацией этих транзисторов, чтобы их можно было печатать в печатном станке на тонкой пластиковой фольге. В результате теперь можно печатать тысячи транзисторов на гибкой подложке и использовать их для разработки искусственных нервных клеток.
В недавно разработанном искусственном нейроне ионы используются для управления потоком электронного тока через проводящий полимер n-типа, что приводит к скачкам напряжения устройства. Этот процесс подобен тому, который происходит в биологических нервных клетках. Уникальный материал в искусственной нервной клетке также позволяет увеличивать и уменьшать ток по почти идеальной колоколообразной кривой, которая напоминает активацию и инактивацию ионных каналов натрия, встречающихся в биологии.
— Симоне Фабиано.
В экспериментах, проведенных в сотрудничестве с Каролинским институтом, новые нейроны c-OECN были подключены к блуждающему нерву мышей. Результаты показывают, что искусственный нейрон может стимулировать нервы мышей, вызывая изменение их частоты сердечных сокращений на 4,5%.
Тот факт, что искусственный нейрон может стимулировать сам блуждающий нерв, может в долгосрочной перспективе проложить путь к важным применениям в различных формах лечения. В целом преимущество органических полупроводников состоит в том, что они биосовместимы, мягки и податливы, а блуждающий нерв играет ключевую роль, например, в иммунной системе организма и обмене веществ.
Следующим шагом исследователей станет снижение энергопотребления искусственных нейронов, которое все еще намного выше, чем у нервных клеток человека. Предстоит еще многое сделать, чтобы искусственно воспроизвести природу.
— Падинхаре Чолаккал Харикеш, постдоктор и главный автор научной работы.
Работа по разработке все более функциональных искусственных нервных клеток продолжается в Лаборатории органической электроники LOE. В 2022 году группа ученых во главе с доцентом Симоной Фабиано продемонстрировала, как искусственный органический нейрон можно интегрировать в живое плотоядное растение, чтобы управлять открытием и закрытием его пасти. Эта синтетическая нервная клетка соответствовала 2 из 20 характеристик, отличающих ее от биологической нервной клетки.
В своем последнем исследовании, опубликованном 12 января в журнале Nature Materials, те же исследователи из LiU сообщили про новую искусственную нервную клетку под названием «органический электрохимический нейрон на основе проводимости» или c-OECN, которая точно имитирует 15 из 20 нейронных особенностей, которые характеризуют биологические нервные клетки, делая их работу более похожей на естественные нервные клетки.
Одной из ключевых проблем при создании искусственных нейронов, которые эффективно имитируют настоящие биологические нейроны, является возможность включения модуляции ионов. Традиционные искусственные нейроны из кремния могут эмулировать многие функции нейронов, но не могут общаться через ионы. Напротив, c-OECN используют ионы, чтобы продемонстрировать несколько ключевых особенностей реальных биологических нейронов
— Симоне Фабиано, главный исследователь группы органической наноэлектроники в LOE.
В 2018 году эта исследовательская группа в Университете Линчепинга одной из первых разработала органические электрохимические транзисторы на основе проводящих полимеров n-типа, материалов, способных проводить отрицательные заряды. Это позволило построить комплементарные органические электрохимические схемы, пригодные для печати. С тех пор группа работает над оптимизацией этих транзисторов, чтобы их можно было печатать в печатном станке на тонкой пластиковой фольге. В результате теперь можно печатать тысячи транзисторов на гибкой подложке и использовать их для разработки искусственных нервных клеток.
В недавно разработанном искусственном нейроне ионы используются для управления потоком электронного тока через проводящий полимер n-типа, что приводит к скачкам напряжения устройства. Этот процесс подобен тому, который происходит в биологических нервных клетках. Уникальный материал в искусственной нервной клетке также позволяет увеличивать и уменьшать ток по почти идеальной колоколообразной кривой, которая напоминает активацию и инактивацию ионных каналов натрия, встречающихся в биологии.
Некоторые другие полимеры демонстрируют такое поведение, но только жесткие полимеры устойчивы к беспорядку, что обеспечивает стабильную работу устройства
— Симоне Фабиано.
В экспериментах, проведенных в сотрудничестве с Каролинским институтом, новые нейроны c-OECN были подключены к блуждающему нерву мышей. Результаты показывают, что искусственный нейрон может стимулировать нервы мышей, вызывая изменение их частоты сердечных сокращений на 4,5%.
Тот факт, что искусственный нейрон может стимулировать сам блуждающий нерв, может в долгосрочной перспективе проложить путь к важным применениям в различных формах лечения. В целом преимущество органических полупроводников состоит в том, что они биосовместимы, мягки и податливы, а блуждающий нерв играет ключевую роль, например, в иммунной системе организма и обмене веществ.
Следующим шагом исследователей станет снижение энергопотребления искусственных нейронов, которое все еще намного выше, чем у нервных клеток человека. Предстоит еще многое сделать, чтобы искусственно воспроизвести природу.
Мы еще многого не понимаем в человеческом мозге и нервных клетках. На самом деле мы не знаем, как нервная клетка использует многие из этих 15 продемонстрированных функций. Имитация нервных клеток может позволить нам лучше понять мозг и построить схемы, способные выполнять интеллектуальные задачи. У нас впереди долгий путь, но это исследование — хорошее начало
— Падинхаре Чолаккал Харикеш, постдоктор и главный автор научной работы.
- Евгения Бусина
- Scitechdaily
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Эксперты говорят: изобретение ученых из Перми решает одну из самых серьезных и опасных проблем в современной авиации
Американцы потратили на это десятки лет и миллиарды долларов, но открытие сделали в России...
ДНК из ниоткуда: 6000-летние останки в Колумбии ни с кем совпадают по генам. Вообще.
Если у этих людей нет ни предков, ни потомков, то кто они такие?...
Египетская «Зона 51»: Почему власти полностью засекретили «четвертую пирамиду»?
С 60-х годов ХХ века на объект Завиет-эль-Эриан не попал ни один ученый. Что скрывают военные за колючей проволокой?...
Секретные спутники Илона Маска заподозрили в использовании запрещенных сигналов
Что это значит для России и чем могут ответить наши военные?...
Археологи поражены: 404 тысячи лет назад «римляне» спокойно разделали гигантского слона... 3-сантиметровыми ножичками
Получается, что древние охотники могли справиться с самым большим животным в Европе буквально голыми руками?...
Ученые обнаружили на Кавказе «ужасного» хищника, способного дробить черепа с одного укуса
Почему же 400-килограммовый монстр, побеждавший медведей и саблезубых тигров, все-таки исчез с лица планеты?...
«Черный ящик» раскрыл тайну летучей мыши, пожирающей птиц прямо в полете
Ученые совершенно не ожидали, что рукокрылый властелин ночного неба по свирепости и охотничьему мастерству даст фору даже соколам...
2700 дней понадобилось ученым, чтобы, наконец, раскрыть главную тайну гигантских скатов
Оказалось, что манты ныряют на 1250-метровую глубину вовсе не за едой и не спасаясь от хищников...
Нападение акул, считавшихся абсолютно безобидными, вызвало шок у морских биологов
Кто виноват в этой ужасной трагедии? И почему эксперты говорят, что это только начало?...
В ближайшие 100 лет Юпитер «выстрелит» в Землю как минимум 342 раза
Российские ученые рассчитали: ближайшее «прицеливание» состоится уже 2031 году. Что вообще нам ожидать?...
Мог ли великий художник Клод Моне видеть в ультрафиолетовом спектре, как пчела?
Историки уверены: после операции на глазах с французским живописцем стали происходит очень странные вещи...
Ученые говорят: вся жизнь подчиняется одному секретному коду
Но почему это древнее ископаемое отказалось следовать ему?...
Затонувшие корабли с сокровищами у берегов Китая открывают поразительные факты о Великом морском шелковом пути
Да, это лонгрид! Но после его прочтения ваш взгляд на историю Китая изменится самым коренным образом...