Учёные создали искусственный нейрон, способный общаться с живыми клетками на их "языке"

Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте построили искусственный нейрон, работающий в том же диапазоне напряжений, что и настоящие нервные клетки.

Впервые электронная схема смогла напрямую обмениваться сигналами с живой тканью без промежуточного усиления – достижение, которое закрывает давнюю пропасть между электроникой и биологией.

Живые нейроны генерируют импульсы в диапазоне примерно от 70 до 130 милливольт. Предыдущие поколения искусственных нейронов требовали напряжения от 0,5 вольта и выше – в десять раз больше, чем у биологических аналогов. Такая разница делала прямой контакт невозможным, ведь слишком сильные сигналы попросту подавляют деликатную клеточную активность.

Руководитель исследования Цзюнь Яо сказал:

Предыдущие версии искусственных нейронов использовали в 10 раз больше напряжения и в 100 раз больше энергии, чем тот, который мы создали.

В лабораторных условиях новый искусственный нейрон генерировал электрические импульсы около 0,1 вольта, точно воспроизводя не только уровни напряжения, но и временные паттерны, а также энергопотребление биологических нейронов.

В основе конструкции лежит мемристор – крошечный компонент, сопротивление которого меняется в зависимости от протекающего тока. Ключевую роль сыграли белковые нанопровода бактерии Geobacter sulfurreducens – микроорганизма, известного способностью перемещать электроны за пределы собственных клеток. Именно бактериальные нанопровода позволили настроить мемристор на работу при биологических уровнях напряжения.

В повторных тестах переключатель активировался при 60 милливольтах и 1,7 наноамперах, после чего самостоятельно сбрасывался вместо того, чтобы оставаться в фиксированном состоянии. Такое поведение имитирует подъём и спад реального нейронного импульса.

При срабатывании мемристора конденсатор быстро заряжался и создавал кратковременный всплеск напряжения. По мере накопления заряда схема принудительно отключала переключатель, формируя рефрактерный период – короткую паузу перед следующим импульсом. Благодаря этой паузе каждый всплеск возвращался к нулю, а не сливался в один непрерывный сигнал. Выходной импульс мог запускать следующий искусственный нейрон, что приближает конструкцию к созданию полноценных сетей.

Помимо электрических сигналов, искусственный нейрон реагировал и на химические стимулы – нейромодуляцию, от которой зависит работа живого мозга. При повышении уровня натрия специальный сенсор ускорял сброс схемы, и нейрон начинал импульсировать чаще.

Графеновый датчик дофамина обеспечивал двунаправленный отклик – при одних дозах активность росла, при других снижалась. Это принципиально важно, ведь живой мозг маршрутизирует информацию не только через электрические импульсы, но и через химический контекст.

Для проверки взаимодействия с живой тканью команда подключила схему к кардиомиоцитам – клеткам сердечной мышцы, которые сокращаются посредством электрических сигналов. Растущая ткань обволакивала мягкую сетку графеновых сенсоров, фиксировавших каждый импульс и сокращение клеток.

При нормальном ритме искусственный нейрон оставался "молчаливым", но когда препарат ускорил "пульс" клеток, схема начала генерировать ответные импульсы. Это ещё не доказывает возможность связи с человеческим мозгом, однако подтверждает обмен данными с живыми клетками в реальном времени.

У технологии есть и практическое измерение за пределами нейронауки. Современные носимые сенсоры вынуждены усиливать слабые сигналы тела перед обработкой, что требует дополнительной энергии и усложняет конструкцию.

Этот промежуточный шаг усиления увеличивает как энергопотребление, так и сложность схемы, но сенсоры, построенные на наших низковольтных нейронах, могут обойтись вообще без усиления.

В упрощённой версии конструкции энергопотребление при химическом режиме работы оказалось как минимум в 100 раз ниже, чем у предыдущих химических искусственных нейронов. При этом вся схема совместима со стандартными процессами производства на основе кремния.

Главное достижение работы – не отдельный эффектный трюк, а комплексное совпадение электронного и биологического поведения по напряжению, энергии, таймингу и химии одновременно.

Впереди ещё длительное тестирование – особенно с настоящими нейронами и проверкой долгосрочной стабильности. Только тогда можно будет говорить об имплантатах или нейроинтерфейсах.