Мозок On Line дещо про нейрочіпи
Мозок On Line: дещо про нейрочіпи
Група дослідників із відділу біохімічних досліджень Інституту ім. Макса Планка (Німеччина) розробила чіп, який може стимулювати та відображати стан окремих нейронів нервової тканини. Вчені використовували нейрочіпи для того, щоб вивчити реакцію нейронів мозку щура, окремих ділянок мозку гризунів та деяких інших нервових клітин. Поки що технологія нейрочіпів не може використовуватися в масовому застосуванні – створено лише прототипи. Однак при її подальшому розвитку можливі двосторонні інтерфейси «мозок-комп'ютер». Подібний інтерфейс може дати воістину безмежні можливості в обробці людиною інформації, починаючи з віртуальної реальності, закінчуючи постійною мобільною комунікацією з нервовою системою інших користувачів. Фантазувати далі не буду. На мою думку, і так все ясно.
З 1985 року дослідники почали оцінювати реальні можливості створення імплантантів, які б забезпечували прямий двосторонній інтерфейс між людською нервовою тканиною і кремнієвою електронікою. І насамперед постало питання про те, як поєднати між собою дві ці системи: рідинну та кристалічну. Іншими словами, як створити працездатну кремнієво-нейронну сполуку?
Перші експерименти в цій галузі були зроблені у 1991 та 1995 роках. Тоді нервові клітини п'явки мали на поверхні транзисторів і намагалися встановити двосторонній контакт між клітинами та електронними компонентами. Після цих попередніх досліджень проблема розгалужилася на дві: визначення природи електричних властивостей контакту «клітка-напівпровідник» залежно від його структури; з'єднання кількох нервових клітин у нейронну мережу за допомогоюнапівпровідникових мікроелектронних схем, контакти яких не проникають усередину клітини, а взаємодіють із її мембраною.
Вирішення цих проблем та створення гібридних нейромереж дозволить детально дослідити такі складні динамічні процеси головного мозку, як пам'ять та навчання.
Створення інтерфейсу нейрон-напівпровідник
В принципі, проблема створення двостороннього інтерфейсу між нейроном і напівпровідником може бути вирішена з використанням принципу електричної поляризації діелектриків. Якщо з'єднати нейрон і напівпровідник таким чином, що непровідна ліпідна мембрана перебуватиме в прямому контакті з ізолюючим шаром діоксиду кремнію, розташованому на поверхні p-n переходу, можна отримати бажаний двосторонній інтерфейс.
Ще раніше, 1999 року, дослідники з Інституту ім. Макса Планка спробували створити подібний чіп, розташувавши на поверхні матриці транзисторів окремий нейрон щура (див. рис. у заставці). Нервова клітина діаметром близько 20 мікрон і з товщиною ліпідної двошарової мембрани 5 нанометрів була поміщена на матрицю транзисторів, покритих шаром діоксиду кремнію. Поверхня діоксиду кремнію виявилася надзвичайно біосумісною з живою клітиною. Весь чіп знаходився у розчині електроліту. Нейрон культивувався поверхні чіпа in vitro протягом трьох днів.
На мікрофотографії видно структуру транзисторної матриці (зеленим) та розташування нейрона (синім). При зростанні нейрона на подібній поверхні приєднання до неї мембрани забезпечували міжмолекулярні білки-інтегрини, а також білки, що взаємодіють із позаклітинним матриксом. Однак ці ж білки віддали мембрану від поверхні на відстань, що відповідає їх розміру. Тому дослідники використали електроліт, який заповнивпростір між мембраною та чіпом.
Для вивчення властивостей динаміки передачі електричних сигналів від чіпа до нейрона і навпаки, дослідники побудували еквівалентну електричну схему отриманої структури і математично випробували новий чіп на вплив як змінного, так і постійного сигналу. Порівнявши сигнали, отримані в результаті моделювання, з реальними, вони утвердилися на думці, що ними обрано одну з оптимальних моделей нейроінтерфейсу.
Описаний вище інтерфейс є основою будь-яких гібридних нейроелектронних кіл. Для успішної побудови гібридних ланцюгів, що працюють з кількома нейронами, необхідно створити чіп, який керуватиме передачею інформації між ними. Для цього вчені створили гібридний електронний пристрій, що зв'язує два нейрони між собою і дозволяє обмінюватися інформацією. Розмір отриманого нейрочіпа досить великий – близько 300 мікронів. Діаметр одного нейрона – 60 мікронів.
У подальших роботах дослідники зосередилися більш складних інтерфейсах. Таких, наприклад, як "чіп-нейрон-нейрон-чіп". Вивчення процесів, що відбуваються у природних нейронних мережах, допоможе розібратися у роботі механізмів пам'яті та навчання. А також пролити світло на так звані нейрокоди - набір сигналів, за допомогою яких відбувається обмін інформацією в нервових тканинах. Для цього було створено чіп, що містить на своїй поверхні ряд нейронів, які синаптично пов'язані між собою в мережу.
На кремнієву підкладку, що містить ряд транзисторів-приймачів, описаних вище, була нанесена культура нейронів. Причому окремі нейрони іммобілізувалися в загоні зі стовпчиків кремнію. Пластина була шорсткою, тому що на шорсткості нейрони краще росли. Через два дні зростання культура нейронів поєдналася між собою всинаптичну мережу (ледве не написав «локальну», хоча це теж було б правильно:). Було обрано два нейрони, до яких приєднали штучні синапси, що працюють за тим самим поляризаційним принципом. Вплинув за допомогою стимулятора серією імпульсів на один з нейронів, з нейрона 2 отримали викликані потенціали. Три перші спроби активувати нейрон були невдалими, і лише четвертий сигнал був сприйнятий ним, та й то із затримкою, викликаною передачею по синаптичній мережі. Зараз дослідники працюють над різними культурами нейронних мереж у тому, щоб скласти їх математичну модель, з допомогою якої проясниться питання роботи кількох нейронів разом із мікроелектронними пристроями.
Уряд США, Євросоюз та Японія у 2004 році інвестували у нанотехнологічні дослідження більш ніж $900 мільйонів. І перші дослідження у всіх галузях науки показали, що ці гроші не викинуті на вітер. Кожен експериментально отриманий результат може знайти застосування відразу у кількох сферах людської діяльності.
Три роки тому не було мови про те, щоб сконструювати щось складніше за систему нейрон-транзистор. Зараз створено окремі нейронні ланцюги, керовані мікроелектронікою. Але, як кажуть дослідники, нейроелектроніка лише починається. Дослідники сподіваються створити електронні матриці, на яких нейронні мережі зможуть зростати та розвиватися, змінюючи свою структуру за сигналами, що надходять від мікроелектронних пристроїв. Як стверджує один із дослідників, Берт Мюллер, «Інтеграція живих нейромереж у сучасну CMOS-мікроелектроніку буде проривом як у біоелектроніці, так і в людському житті взагалі».
Автор: Свідіненко Юрій.