Учени създадоха първия изкуствен неврон, способен да взаимодейства с човешкия мозък

Учените са направили важна стъпка към интегрирането на електрониката с живите организми. Изследователите са разработили изкуствен неврон, който работи в същия диапазон от електрически сигнали като естествените нервни клетки. Това позволява на електронното устройство да реагира на сигналите от живи тъкани и ефективно да „комуникира“ с тях на същия електрически език.

Разработката е осъществена от екип от Университета на Масачузетс Амхърст, ръководен от изследователя Джун Яо. В лабораторни експерименти изкуственият неврон, който са създали, е генерирал електрически импулси на ниво от около 0,1 волта — почти същото като естествените неврони в тялото.

Защо това е важно?

Преди това изкуствените неврони можеха само частично да имитират поведението на реалните клетки. Те обаче изискваха много по-високи напрежения – понякога 10 пъти по-високи. Такива силни сигнали не бяха подходящи за взаимодействие с живи клетки, тъй като можеха просто да „преодолеят“ слабите им електрически импулси.

В природата невроните работят в много тесен диапазон от около 70 до 130 миливолта. Новото устройство най-накрая успя да заработи в същия диапазон, което открива възможността за директно взаимодействие между електронните схеми и биологичните системи.

Бактериите са помогнали за създаването на неврон

Централният елемент на устройството е мемристор — микроскопичен електронен компонент, който може да променя съпротивлението си в зависимост от тока. Работата му е фино настроена благодарение на протеинови нанопроводници, получени от бактерията Geobacter sulfurreducens. Този микроорганизъм е известен със способността си да транспортира електрони извън клетката.

В експериментите превключвателят се е активирал при около 60 миливолта и много нисък ток, след което автоматично се е връщал в първоначалното си състояние. Това поведение е позволило пресъздаването на характерната електрическа „светкавица“ —- импулсът, генериран от истински неврон.

Електрониката се е научила да се държи като нервна система

Когато мемристорът е включен, веригата бързо зарежда кондензатор, създавайки кратък електрически импулс. След това системата автоматично се изключва и прави кратка пауза преди следващия сигнал. В биологията този период се нарича рефрактерен период —- времето, необходимо на неврона да се възстанови след импулс.

Това означава, че вместо да произвежда непрекъснат сигнал, електронният неврон генерира отделни, дискретни импулси, подобни на тези, които предават информацията в нервната система. Това също така позволява комбинирането на няколко такива елемента в по-сложни невронни мрежи.

Дори химията е повлияла на функцията на неврона

Интересното тук е, че изследователите са успели да променят поведението на изкуствения неврон, използвайки химични сигнали, точно както това се случва в мозъка. Например, увеличаването на концентрацията на натрий е накарало устройството да генерира импулси по-често.

И когато в експеримента е използван допамин, специален графенов сензор е променял реакцията на веригата в зависимост от неговата концентрация. Това наподобява реалните процеси в мозъка, където химикалите регулират активността на невроните.

Първият „диалог“ с живи клетки

За да тестват новата технология, учените свързали изкуствен неврон с клетки на сърдечния мускул, които естествено генерират електрически импулси, каращи сърцето да се свива.

Графеновите сензори улавяли сигналите на клетките и ги предавали на електронна схема. При нормални условия сърдечните клетки не задействали реакцията на устройството, но когато изследователите инжектирали лекарство, което ускорявало сърдечната честота, изкуственият неврон започнал да генерира свои собствени електрически импулси. Това показало, че електронната система е способна да реагира на жива тъкан в реално време.

Нови възможности за медицината и технологиите

Подобни технологии биха могли да променят бъдещето на носимите устройства и медицинските импланти. Съвременните сензори често изискват допълнително усилване на сигналите от тялото, което увеличава консумацията на енергия и усложнява електрониката.

Изкуствените неврони, които работят на базата на биологично напрежение, могат да обработват сигнали без подобно усилване. Това означава по-малки, по-енергийно ефективни и потенциално по-евтини устройства.

Учените подчертават, че технологията е все още в ранен етап на развитие. Предстоят още много изследвания, включително експерименти с реални нервни клетки и тестване на стабилността на системата.

Самият факт, че един електронен неврон може да работи почти точно като биологичен, обаче открива нова посока за развитие на технологиите. Резултатите от изследването са публикувани в научното списание Nature Communications.