Науковці зробили важливий крок до поєднання електроніки з живими організмами. Дослідники розробили штучний нейрон, який працює в тому самому діапазоні електричних сигналів, що й природні нервові клітини. Завдяки цьому електронний пристрій може реагувати на сигнали від живих тканин і фактично «спілкуватися» з ними тією ж електричною мовою.
Над розробкою працювала команда з University of Massachusetts Amherst на чолі з дослідником Jun Yao. У лабораторних експериментах створений ними штучний нейрон генерував електричні імпульси приблизно на рівні 0,1 вольта — майже так само, як це роблять природні нейрони в організмі.
Чому це важливо
Раніше штучні нейрони могли лише частково імітувати поведінку справжніх клітин. Проте вони потребували значно більшої напруги — іноді у 10 разів більшої. Такі сильні сигнали не підходили для взаємодії з живими клітинами, оскільки могли просто «перекривати» їхні слабкі електричні імпульси.
У природному організмі нейрони працюють у дуже вузькому діапазоні — приблизно від 70 до 130 мілівольт. Новий пристрій нарешті зміг працювати в тих самих межах, що відкриває можливість прямої взаємодії між електронними схемами та біологічними системами.
Бактерії допомогли створити нейрон
Центральним елементом пристрою став мемристор — мікроскопічний електронний компонент, який може змінювати свій опір залежно від струму. Його роботу вдалося точно налаштувати завдяки білковим нанодротам, отриманим від бактерії Geobacter sulfurreducens. Цей мікроорганізм відомий здатністю переносити електрони за межі клітини.
Під час експериментів перемикач активувався приблизно при 60 мілівольтах і дуже слабкому струмі, після чого автоматично повертався у початковий стан. Така поведінка дозволила відтворити характерний електричний «спалах» — імпульс, який генерує справжній нейрон.
Електроніка навчилася поводитися як нервова система
Коли мемристор вмикався, у схемі швидко заряджався конденсатор, створюючи короткий електричний імпульс. Потім система автоматично вимикалася і робила коротку паузу перед наступним сигналом. У біології цей період називають рефрактерним — часом, коли нейрон відновлюється після імпульсу.
Завдяки цьому електронний нейрон не видає безперервний сигнал, а генерує чіткі окремі імпульси, подібні до тих, що передають інформацію в нервовій системі. Це також дозволяє поєднувати кілька таких елементів у складніші нейронні мережі.
На роботу нейрона вплинула навіть хімія
Цікаво, що дослідники змогли змінювати поведінку штучного нейрона за допомогою хімічних сигналів — так само, як це відбувається у мозку. Наприклад, збільшення концентрації натрію змушувало пристрій генерувати імпульси частіше.
А коли в експерименті використовували дофамін, спеціальний сенсор із графену змінював реакцію схеми залежно від його концентрації. Це нагадує реальні процеси в мозку, де хімічні речовини регулюють активність нейронів.
Перший “діалог” із живими клітинами
Щоб перевірити можливості нової технології, вчені під’єднали штучний нейрон до клітин серцевого м’яза. Ці клітини природно генерують електричні імпульси, які змушують серце скорочуватися.
Графенові сенсори фіксували сигнали клітин і передавали їх до електронної схеми. У звичайному стані серцеві клітини не викликали реакції пристрою, але коли дослідники ввели препарат, що прискорює серцевий ритм, штучний нейрон почав генерувати власні електричні імпульси. Це показало, що електронна система здатна реагувати на живу тканину в реальному часі.
Нові можливості для медицини та технологій
Подібні технології можуть змінити майбутнє носимих пристроїв і медичних імплантів. Сучасні сенсори часто потребують додаткового підсилення сигналів організму, що збільшує енергоспоживання і ускладнює електроніку.
Штучні нейрони, які працюють на біологічній напрузі, можуть обробляти сигнали без такого підсилення. Це означає менші, енергоефективніші та потенційно дешевші пристрої.
Вчені підкреслюють, що технологія поки перебуває на ранній стадії розвитку. Попереду ще багато досліджень, зокрема експерименти зі справжніми нервовими клітинами та перевірка стабільності роботи системи.
Однак сам факт того, що електронний нейрон може працювати майже так само, як біологічний, уже відкриває новий напрямок розвитку технологій. Результати дослідження опубліковані у науковому журналі Nature Communications.
Джерело: portaltele.com.ua