Ново проучване показва, че изкуствени неврони, произведени от органични компоненти, могат да бъдат интегрирани в биологични системи – в този случай в Венерината мухоловка (Dionaea muscipula) – за да изпращат сигнали, които могат да бъдат интерпретирани от естествената система.

Науката винаги е намирала богат източник на вдъхновение от смесването на биологията и технологиите. Опознаването на нервната система и бързият напредък в дизайна на микрочиповете водят до иновации като интерфейси мозък-компютър и първите стъпки към мозъчни импланти.

Но информация, публикувана от групата за правата на животните, Physicians Committee for Responsible Medicine миналата седмица, отчасти подчертава невероятната трудност при комбинирането на биологични и небиологични системи.

Твърденията са насочени към компанията за мозъчни импланти на Илон Мъск, Neuralink, и съоръженията на Калифорнийския университет в Дейвис, където са държани маймуни, използвани в експерименти, предназначени за тестване на водещия имплант на компанията.

Най-тревожните твърдения предполагат, че на маймуните, участващи в проучването, не е била предоставена адекватна ветеринарна помощ. Маймуни рядко се използват в изследванията поради разходите и строгото регулиране, свързани с грижите за тях, а предположенията, че маймуните са били малтретирани, ще бъдат разследвани от Службата за инспекция на здравето на животните и растенията на Министерството на земеделието на САЩ.

Мозъкът не взаимодейства добре със силициевите технологии

Докладите подчертават отделен, по-фундаментален проблем с изследванията на невротехнологията, който надхвърля потенциалните неуспехи в хуманното отношение към животните - мозъкът не взаимодейства добре с конвенционалните електронни компоненти.

„Базираните на силиций вериги, които обикновено се използват в невротехнологиите, страдат от няколко ограничения като твърдост, лоша биосъвместимост, висока сложност на веригата и оперативни механизми, фундаментално различни от биологичните системи“, обяснява Симоне Фабиано (Simone Fabiano), асистент в Университета Линкопинг.

Тази лоша биосъвместимост означава, че животните, участващи в такива изследвания, са изложени на повишен риск от увреждане на мозъка и инфекция. Съобщава се, че 15 от 23 маймуни, участващи в изследването на Neuralink, са починали преди или по време на експериментите.

Фабиано е главният автор на нов документ, публикуван в Nature Communications , който предлага алтернативен път за проектиране на невротехнологии, които биха могли да създават импланти, които работят по-безопасно и ефективно заедно с биологични настройки.

Биологичните неврони разчитат на предаването на заредени йони, за да функционират. Потенциите на действие, чрез които се предават сигнали в мозъка, например изискват поток от калциеви и калиеви йони съответно към и извън клетката. Но електронните устройства работят по коренно различен начин, като вместо това използват поток от електрони.

Екипът на Фабиано проектира изкуствен неврон, изработен от пластмаса и въглерод, който би могъл да заобиколи много от проблемите, пред които е изправена силициевата технология.

„Изкуствените неврони, които разработихме, се основават на така наречените смесени йонно-електронно проводими полимери, т.е. полимери, които могат да транспортират както йони, така и електрони“, обяснява Фабиано.

Това свойство може да подобри биосъвместимостта на тяхната органична система.

^{a, b Схема на биологичния неврон и неговата аналогия с органичния електрохимичен неврон, базиран на веригата Axon Hillock. c Напълно отпечатани органични електрохимични неврони. Кредит: Harikesh PC, Yang C, Tu D, et al. Organic electrochemical neurons and synapses with ion mediated spiking. Nat Commun. 2022 г. doi: 10.1038/s41467-022-28483-6}

Изкуствените сигнали помагат на капана да се затвори

За да тестват своите изкуствени неврони, изследователите използват необичаен модел, който дори няма конвенционална нервна система: Венерината мухоловка. Фабиано обяснява, че екипът е искал „лесна за работа“ моделна система за своите изследвания. Мухоловката, подобно на други растения, няма нерви или неврони, но може да генерира потенциали за действие, аналогични на нервсните импулси. Докато при много растения точната им функция остава малко загадка, при хищната мухоловка те имат задачата да позволят на растението бързо да затвори капана си за нищо неподозираща плячка.

Фабиано и неговият екип свързват своите изкуствени неврони към мухоловките чрез електроди и успяват да принудят мухоловката да затвори капана си чрез изстрелване на входен сигнал през изкуствените неврони.

^{В това видео може да се види, че потенциалите на действие, въведени от изкуствен неврон, предизвикват затваряне на "челюстите" на Венерината мухоловка. Кредит: Harikesh et al.} 

Използването от невроните на биологично вдъхновена йонна сигнализация не е единствената им полза. Полимерите, обяснява Фабиано, могат да бъдат отлети върху материали като хартия и пластмаса, което ги прави гъвкави. Невроните работят и при напрежения, които са приблизително една десета от тези, изисквани от системите, базирани на силиций. Освен че прави устройствата по-подходящи за органична среда, това може, твърди Фабиано, потенциално да позволи устройства без батерии.

Изследването е на ранен етап. Интегрирането на устройства в сложни нервни системи ще изисква повече иновации. Фабиано обяснява, че екипът следва да създаде устройство, което да съответства на биологичните неврони по отношение на честота и ефективност.

„Можем да постигнем това чрез намаляване на размерите на устройството и подобряване на електрическата реакция на нашите смесени йонно-електронни проводими полимери“, смята Фабиано.

Справка: Harikesh PC, Yang C, Tu D, et al. Organic electrochemical neurons and synapses with ion mediated spiking. Nat Commun. 2022 г. doi: 10.1038/s41467-022-28483-6

Източник: Artificial Neurons Force Venus Flytrap To Snap Its Jaws Shut
Ruairi J Mackenzie

Още по темата

17/01/2022

Медицина

„Неврозърна“, вградени в нервната тъкан, може да са следващите интерфейси мозък-компютър

24/11/2021

Животът

Имплант, доставящ удоволствие директно в мозъка ни? Етични проблеми

08/05/2020

Животът

Илън Мъск: "Ще имплантираме в човешки мозък невронна връзка след по-малко от година“ (видео)

18/07/2019

Технологии

Илън Мъск показа технология за вграждане в мозъка на "нишки" на четене на мисли (видео)