Искусственный синапс, который работает с живыми клетками

В 2017 году исследователи из Стэнфордского университета представили новое устройство, имитирующее эффективный процесс обучения нервной системы с низким энергопотреблением. Это была искусственная версия синапса - промежутка, через который проходят нейротрансмиттеры для связи между нейронами - из органических материалов. В 2019 году исследователи собрали девять своих искусственных синапсов в массив, показав, что они могут быть одновременно запрограммированы так, чтобы имитировать параллельную работу мозга, по информации медицинского сайта forumssity.ru.

Теперь, в статье, опубликованной 15 июня в Nature Materials , они протестировали первую биогибридную версию своего искусственного синапса и продемонстрировали, что он может связываться с живыми клетками. Будущие технологии, вытекающие из этого устройства, могут функционировать, реагируя непосредственно на химические сигналы мозга. Исследование проводилось в сотрудничестве с исследователями из Istituto Italiano di Tecnologia (Итальянский технологический институт - IIT) в Италии и Технологического университета Эйндховена (Нидерланды).

«Эта статья действительно подчеркивает уникальную силу материалов, которые мы используем для взаимодействия с живой материей», - сказал Альберто Сальео, профессор материаловедения и инженерии в Стэнфорде и соавтор статьи. «Клетки счастливы, сидя на мягком полимере. Но совместимость идет глубже: эти материалы работают с теми же молекулами, которые нейроны используют естественным путем».

В то время как другим устройствам, интегрированным в мозг, требуется электрический сигнал для обнаружения и обработки мозговых сообщений, связь между этим устройством и живыми клетками происходит посредством электрохимии - как будто материал был просто еще одним нейроном, получающим сообщения от своего соседа.

Как учатся нейроны

Биогибридный искусственный синапс состоит из двух мягких полимерных электродов, разделенных желобом, заполненным раствором электролита, который играет роль синаптической щели, разделяющей сообщающиеся нейроны в мозге. Когда живые клетки располагаются поверх одного электрода, нейротрансмиттеры, которые выделяются этими клетками, могут реагировать с этим электродом с образованием ионов. Эти ионы проходят через траншею ко второму электроду и модулируют проводящее состояние этого электрода. Некоторые из этих изменений сохраняются, имитируя процесс обучения, происходящий в природе.

«В биологическом синапсе практически все контролируется химическими взаимодействиями в синаптическом соединении. Когда клетки общаются друг с другом, они используют химию», - говорит Скотт Кин, аспирант из Стэнфорда и соавтор статьи. , «Возможность взаимодействовать с природной химией мозга дает устройству дополнительную полезность».

Этот процесс имитирует тот же тип обучения, что и в биологических синапсах, который является высокоэффективным с точки зрения энергии, поскольку вычисления и хранение в памяти происходят в одном действии. В более традиционных компьютерных системах данные сначала обрабатываются, а затем перемещаются в хранилище.

Чтобы проверить свое устройство, исследователи использовали нейроэндокринные клетки крысы, которые высвобождают нейротрансмиттер дофамин. Прежде чем запустить эксперимент, они не были уверены, как дофамин будет взаимодействовать с их материалом - но они увидели постоянное изменение состояния своего устройства после первой реакции.

«Мы знали, что реакция необратима, поэтому имеет смысл, что это приведет к постоянному изменению проводящего состояния устройства», - сказал Кин. «Но было трудно понять, сможем ли мы достичь результата, который мы предсказали на бумаге, пока не увидим, что это произойдет в лаборатории. Именно тогда мы осознали потенциал, который есть для эмуляции процесса долгосрочного обучения синапса».

Первый шаг

Этот биогибридный дизайн находится на таких ранних стадиях, что основной задачей нынешнего исследования было просто заставить его работать.

«Это демонстрация того, что эта связь, объединяющая химию и электричество, возможна», - сказал Саллео. «Можно сказать, что это первый шаг к интерфейсу мозг-машина, но это крошечный, крошечный самый первый шаг».

Теперь, когда исследователи успешно протестировали свою конструкцию, они находят оптимальные пути для будущих исследований, которые могут включать работу над компьютерами, созданными на основе мозга, интерфейсами мозг-машина, медицинскими устройствами или новыми инструментами исследования нейробиологии. Уже сейчас они работают над тем, чтобы заставить устройство функционировать лучше в более сложных биологических условиях, которые содержат различные виды клеток и нейротрансмиттеров.

Это исследование финансировалось Национальным научным фондом, Корпорацией исследований полупроводников, Стэнфордским аспирантским фондом, Фондом Кнута и Элис Валленберг для проведения докторских исследований в Стэнфорде и Европейской программой исследований и инноваций Horizon 2020.


Предыдущая статья
Следущая статья




Вернуться к списку статей