Крошечный чип в защитном корпусе.
Фото University of Bath.
Учёные добились точного воспроизведения электрических свойств реальных нейронов в их искусственных аналогах.
Фото University of Bath.
Международная команда исследователей создала искусственные нейроны, способные действовать в точности как живые клетки.
Это одно из самых долгожданных достижений науки. Хотя технология пока далека от клинического применения, в будущем она позволит совершить большие прорывы во многих сферах.
Авторы поясняют: разработка нейронов, которые реагируют на электрические сигналы от нервной системы подобно настоящим клеткам, открывает новые возможности в лечении состояний, при которых реальные нейроны не функционируют должным образом или же погибают (нейродегенерации, повреждения спинного мозга и так далее). Искусственные нейроны помогут восстанавливать разрушенные биологические цепи, если возьмут на себя выполнение тех или иных функций.
Учёные признаются: работа была непростой и весьма трудоёмкой.
Сперва они смоделировали и решили уравнения для объяснения того, как нейроны реагируют на электрические стимулы (или сигналы) других нервных клеток. Это было нелегко, поскольку ответы являются "нелинейными". Скажем, если сигнал усиливается в два раза, он необязательно означает двойное усиление реакции.
Затем учёным нужно было создать сложные математические модели, которые могли бы контролировать эту "нелинейную" электрическую активность в искусственных нейронах.
Позднее команда разработала кремниевые чипы – синтетические схемы, которые точно моделировали биологические ионные каналы.
Эксперименты показали, что искусственные нейроны реагируют на широкий диапазон стимулов, достаточно точно имитируя активность своих биологических аналогов.
В частности, исследователи смогли воспроизвести полную динамику нейронов гиппокампа и дыхательных нейронов крыс.
Учёные добились точного воспроизведения электрических свойств реальных нейронов в их искусственных аналогах.
Фото University of Bath.
"Наш подход объединяет несколько прорывов. Мы можем очень точно оценить параметры, которые контролируют поведение любых нейронов. Мы создали физические модели аппаратного обеспечения и продемонстрировали его способность успешно имитировать поведение реальных живых нейронов. Третьим прорывом является универсальность нашей модели, которая допускает включение различных типов и функций ряда сложных нейронов млекопитающих", – рассказал руководитель проекта профессор Ален Ногарет (Alain Nogaret) из Университета Бата.
Он также отметил, что искусственным нейронам требуется всего лишь 140 нановатт энергии (это миллиардная доля мощности, необходимой для работы микропроцессора).
"Благодаря этому они прекрасно подходят для биоэлектронных имплантатов для лечения хронических заболеваний", – пояснил Ногарет.
Миниатюрные кремниевые микрочипы имеют широкий спектр применений. К примеру, ими можно заменить нейроны, повреждённые нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера или боковой амиотрофический склероз.
Другая интересная перспектива – создание "умного" кардиостимулятора, который "настраивает" не только частоту сердцебиения, но и обратную связь с нервной системой, подменяя определённые нейроны в основании головного мозга. Если последние не посылают нужные сигналы сердцу, у пациента развивается сердечная недостаточность. Искусственный нейроны могут устранить такую "неполадку".
Новая технология также может быть использована для реализации нового типа интерфейса "мозг-машина".
Впрочем, исследователи признаются, что гораздо больше их интересуют медицинские области применения искусственных нейронов. В дальнейшем авторы надеются создать миниатюрную биоэлектронику, обеспечивающую индивидуальный подход к лечению каждого пациента.
Статья с подробным описанием прорывной разработки представлена в журнале Nature Communications.
Кстати, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о создании "организма-на-чипе" и киборганоидов. Писали мы и о том, как учёные воссоздали связь между нейронами с помощью фотонного микрочипа и как искусственный мини-мозг продемонстрировал активность, которая наблюдается в мозге недоношенных детей.
