Искусственная органическая нейронная клетка близко имитирует характеристики биологических нервных клеток
Исследователи из Университета Линчёпинга (LiU), Швеция, создали искусственный органический нейрон, который близко имитирует характеристики биологических нервных клеток. Эта искусственная клетка может стимулировать естественные нервы, что делает её многообещающей технологией для различных методов лечения в будущем.
В 2022 году команда под руководством доцента Симоне Фабиано продемонстрировала искусственный органический нейрон, который мог контролировать открытие и закрытие "челюсти" хищного растения. Этот синтетический нейрон соответствовал двум из 20 характеристик, отличающих его от биологического.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Materials, та же группа учёных разработала новый искусственный нейрон — conductance-based organic electrochemical neuron (c-OECN). Он близко имитирует 15 из 20 нейронных характеристик биологических нервных клеток.
"Одна из ключевых проблем в создании искусственных нейронов, эффективно имитирующих реальные биологические, — возможность модуляции ионами. Традиционные искусственные нейроны из кремния могут эмулировать многие нейронные черты, но не могут общаться с помощью ионов. В отличие от них, c-OECN используют ионы для демонстрации нескольких ключевых особенностей реальных биологических нейронов", — говорит Симоне Фабиано.
В 2018 году эта исследовательская группа была одной из первых, кто разработал органические электрохимические транзисторы на основе n-типа проводящих полимеров (материалов, проводящих отрицательные заряды). Это позволило создавать печатные комплементарные органические электрохимические схемы. С тех пор группа работала над оптимизацией этих транзисторов для печати на тонкой пластиковой плёнке. Теперь можно печатать тысячи транзисторов на гибкой подложке и использовать их для создания искусственных нервных клеток.
В новом искусственном нейроне ионы используются для управления потоком электронного тока через полимер n-типа, что приводит к спайкам (импульсам) напряжения в устройстве. Этот процесс аналогичен происходящему в биологических нервных клетках. Уникальный материал также позволяет току увеличиваться и уменьшаться по почти идеальной колоколообразной кривой, напоминающей активацию и инактивацию натриевых ионных каналов в биологии.
"Некоторые другие полимеры демонстрируют такое поведение, но только жёсткие полимеры устойчивы к беспорядку, что обеспечивает стабильную работу устройства", — отмечает Симоне Фабиано.
В экспериментах, проведённых совместно с Каролинским институтом (KI), новые нейроны c-OECN были подключены к блуждающему нерву мышей. Результаты показали, что искусственный нейрон может стимулировать нервы, вызывая изменение частоты сердечных сокращений на 4.5%. Этот факт в долгосрочной перспективе может открыть путь для важных применений в различных формах медицинского лечения.
Органические полупроводники обладают преимуществами биосовместимости, мягкости и пластичности, а блуждающий нерв играет ключевую роль, например, в иммунной системе и метаболизме организма.
Следующим шагом для исследователей станет снижение энергопотребления искусственных нейронов, которое пока значительно выше, чем у человеческих нервных клеток.
"Есть многое, чего мы до сих пор не до конца понимаем о человеческом мозге и нервных клетках. Мы не знаем, как нервная клетка использует многие из этих 15 продемонстрированных особенностей. Имитация нервных клеток может позволить нам лучше понять мозг и построить схемы, способные выполнять интеллектуальные задачи. Впереди долгий путь, но это исследование — хорошее начало", — говорит Падинхаре Чолакал Харикеш, постдок и основной автор научной статьи.