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
Контрабандисты оккупировали Восточную Африку: зачем черных муравьев тайно вывозят в Китай и Европу?
Эксперты предупреждают: такой вывоз в итоге закончится непоправимой экологической катастрофой...
В мире заканчивается речной песок: чем это грозит человечеству?
Ученые говорят, что это самая не замечаемая, а оттого опасная проблема, которая уже касается миллионов людей...
Немецкий ученый был главным в секретной ракетной программе: однажды он вышел из кабинета и исчез навсегда
Как операция «Дамоклов меч» пресекла главную военную операцию целого государства...
К 2060 году половина плотин в мире выйдет из строя: США — главные в черном списке
Эксперты говорят: если не принять меры, часть Соединенных Штатов может полностью опустеть...
В России снова захотели строить железную дорогу в Индию: почему не удались прошлые попытки?
Эксперты говорят: дерзкий проект мог бы принести российской казне миллиардные прибыли...
За рамками науки: дети, которые помнят свои прошлые жизни
Ученые говорят, что феномена реинкарнации нет, но факты утверждают обратное...
Кольца на деревьях раскрыли тайну гибели последней империи кочевников в Евразии
Поразительно, но падение Джунгарского ханства началось за тысячи километров от Азии, в Северной Атлантике...
Тайна огней Марфы, 150 лет не дававшая покоя ученым, похоже, разгадана
Болотный газ? Огни святого Эльма? НЛО? Ответ оказался намного проще и сложнее одновременно...
Этим книгам осталось жить считаные дни: кто охотится на очень редкие экземпляры, а затем уничтожает их?
Эксперты бьют тревогу: это, пожалуй, самый циничный поворот в истории книгопечатания...
«Сувенир» от неандертальцев: секреты этих мутаций не разгаданы до конца
Они живут в ДНК 47 000 лет, но почему их совсем нет у африканцев, зато много у жителей Южной Азии...
Авокадо ежедневно меняет пол, и исследователи, наконец, выяснили, как именно
Почему селекционеры и ботаники ждали этого открытия более 100 лет?...
Самое жаркое лето в истории СССР: кто остановил огненную стихию
Почему в советское время подробности этой экологической катастрофы находились под грифом «совершенно секретно╗?...