University of Massachusetts Amherst tyrėjų grupė, vadovaujama Jun Yao, sukūrė dirbtinį neuroną, gebantį generuoti elektrinius impulsus gyviems audiniams biologiniu įtampos lygiu. Tai pirmasis prietaisas, kuris perduoda signalus ta pačia elektrine kalba kaip natūralios nervinės ląstelės, o mokslininkų rezultatai publikuoti žurnale Nature Communications.
Kaip veikia naujasis dirbtinis neuronas?
Pagrindinis komponentas yra memristoras – mikroelektroninis jungiklis, kurio varža priklauso nuo ankstesnių srovių. Tyrėjai sureguliavo memristoro perjungimo savybes, panaudodami iš bakterijos Geobacter sulfurreducens išgautus baltyminių nanovadų laidininkus. Tokia konstrukcija padidino įrenginio jautrumą silpniems biologiniams signalams ir leido valdyti perjungimų slenkstį labai mažomis įtampos reikšmėmis.
Įrenginys generavo impulsus maždaug 0,1 V lygiu (apie 100 mV), o perjungimas vyko apytikriai prie 60 mV. Dėl to elektronika imituoja ne tik impulso formą, bet ir amplitudę bei refrektorinį (atsistatymo) laikotarpį, būdingą biologiniams neuronus, todėl signalai gali būti suderinti su gyvų audinių elektra be didelio stiprinimo.
Eksperimentai su gyvomis ląstelėmis ir cheminis valdymas
Praktiniams bandymams mokslininkai prijungė įrenginį prie širdies raumens ląstelių kultūrų. Grafeno jutikliai fiksavo ląstelių elektrinius signalus ir perdavė juos į elektroninę grandinę, kur memristoras reagavo į natūralius impulsus. Kai buvo pridėtas vaistas, stiprinantis širdies ritmą, dirbtinis neuronas pradėjo generuoti nuoseklius impulsus – tai apibūdinama kaip pirmasis realaus laiko „dialogas“ tarp elektronikos ir gyvų audinių.
Tyrėjai taip pat pakeitė cheminę aplinką: padidinus natrio jonų koncentraciją, įrenginys dažniau generavo impulsus, o dopaminas per grafeno sensorių moduliavo grandinės reakciją. Tokie cheminiai pakeitimai primena neurotransmiterių reguliaciją smegenyse ir rodo, kad elektroninį neuroną galima valdyti cheminiais signalais, o ne vien elektriniais impulsais.
Svarbiausi faktai
- Institucija: University of Massachusetts Amherst, vadovas Jun Yao.
- Paskelbta: Nature Communications.
- Impulsų lygis: apie 0,1 V (≈100 mV); perjungimo slenkstis apie 60 mV.
- Biologiniai komponentai: Geobacter sulfurreducens baltyminiai nanovadai ir grafenas.
Ką tai reiškia ateičiai?
Šis atradimas žymi svarbų žingsnį link tiesioginio integravimo tarp elektronikos ir biologinių sistemų. Dirbtiniai neuronai, veikdami biologinėje įtampoje, gali leisti kurti mažesnius ir energiją taupančius implantus bei nešiojamus sensorius, kurie nereikalauja stiprių signalų stiprinimo grandinių. Tokia technologija sprendžia ir problemą, kai tradiciniai elektroniniai impulsai yra per stiprūs ir užgožia gyvųjų audinių signalus.
Vis dėlto technologija dar ankstyvoje stadijoje: būtini papildomi tyrimai su tikrais smegenų neuronais, ilgaamžiškumo ir stabilumo bandymai, taip pat saugumo bei biokompatibilumo vertinimai prieš klinikinį pritaikymą. Be to, reikalingos etinės ir reguliavimo diskusijos apie tokių sistemų naudojimą medicinoje.