Складові мережі з нейронів та електроніки
Жвавий чіп віддає накази нервовим клітинам
Вчені давно навчилися знімати електричні імпульси з нервових клітин. Вже вигадана маса таких пристроїв. Але, здається, ніхто досі не спробував піти у напрямку: до електроніки, здатної довільно впливати на внутрішньоклітинні біологічні процеси.
Раніше або чіпи працювали з дуже обмеженим числом нейронів, або - з великим числом, але не з кожним окремо, а з їх групами.
У рамках проекту NACHIP (дивіться також сторінку проекту університету Падуї) дослідники планомірно йдуть до дивовижної мети – взаємодії комп'ютера з набором живих клітин (індивідуально), з можливістю не лише отримувати від них інформацію, а й впливати на роботу генів у цих клітинах.
Найпримітніше в проекті NACHIP те, що відрізняє його від попередніх робіт - "двосторонній підхід" для вирішення проблеми тісної та ефективної взаємодії живих нейронів та електроніки.
Чи повинна електроніка стати більш "живою", щоб працювати з нейронами, або нейрони потрібно міняти, щоб навчити їх добре взаємодіяти з чіпами?
З цього руху назустріч вийшло ось що.
Спеціальний чіп із діаметром всього в 1 міліметр містить 16 тисяч 384 транзистори та сотні конденсаторів. Коли на нього висаджуються нервові клітини, транзистори отримують від них сигнали, а конденсатори, під керуванням транзисторів, посилають сигнали від електроніки - нейронам.
З погляду фізики, взаємодіянейронів та схеми відбувається завдяки переміщенню іонів натрію через клітинну мембрану, що змінює локальний її заряд, на який реагує транзистор. У свою чергу, керований електронікою заряд на конденсаторі впливає іонний струм через мембрану, змушуючи нейрон реагувати на "запит" ззовні.
Використавши генну інженерію, дослідники (а працювали вони спочатку з нейронами равлики, як з більшими і простими, а потім - з нейронами щурів, як з більш складними і меншими за розміром) модифікували нейрони тварин, збільшивши в їх оболонках число іонних каналів та підвищивши їх активність.
Сам чіп також отримав нововведення: його покрили білками, які в мозку пов'язують нейрони разом (свого роду клей) і також активують іонні канали в нейронах. У чіпі були застосовані транзистори зі зменшеним шумом, ділянки для збудження нейронів і сусідні з ними транзистори були зближені до декількох мікронів, щоб можна було посилати імпульс і отримувати відгук від одного єдиного нейрона.
Тісна взаємодія нервових клітин та схеми дозволяє дослідникам розраховувати на наступний крок: "Мабуть, можна змусити сигнали чіпа впливати на нейрон так, щоб у ньому включався новий ген, - каже Вассанеллі. - Чіп створений. І ми плануємо використовувати його, щоб спробувати включати та відключати гени”.
Як це відбуватиметься? Хімічний склад, який безпосередньо вимикає ген, повинен бути доданий в лабораторну чашку, що містить гібрид нейронів з чіпом. Електроніка ж, за задумом біологів, визначатиме яка з живих клітин, приєднаних до чіпа,відреагує на розчин, а яка – ні, рахунок впливу працювати клітинних мембран.
Італійський учасник проекту каже, що такі досліди, з одного боку, дадуть можливість краще зрозуміти роботу нейронів, а з іншого, дозволять створювати нові пристрої, скажімо, чіпи з пам'яттю на основі живих клітин.
Також можливе створення чипів-протезів, які допомагають у роботі організму при захворюваннях нервової системи, або просто – чипів, що контролюють стан здоров'я людини.
Адже після дослідів з нейронами тварин експериментатори мають намір дійти і до дослідів з людськими нейронами. Та й завдання поєднання мініатюрної електроніки з нервовими клітинами в організмі (а не на лабораторному столі) – вже у тому чи іншому вигляді вирішено.
Згадаймо, хоча б "вимикач болю" чи керування електронною поштою за допомогою думок.
Тепер на горизонті вимальовується – корекція роботи генів у тілі з вашого комп'ютера. Ще один штрих до майбутнього Homo Electronics?
Живі нейрони змусили з'єднатися у проектовану мережу
Яель Ханейн (Yael Hanein) та її колеги з університету Тель-Авіва (Tel Aviv University) створили чіп з регулярною сіткою з щурових нейронів.
В основі чіпа - платівка з кварцу. На ній вчені розташували каркас з нанотрубок, з кроком між вузлами приблизно 100 мікронів.
Аксони і дендрити добре зв'язувалися з нанотрубками і утворювали мости, що з'єднували групи нервових клітин (по 20-100 штук у кожному з вузлів) у правильну мережу, спроектовану експериментаторами.
При цьому нейрони не можуть прикріплюватися безпосередньо до кварцевої підкладки татому не поширювалися у "неправильних" напрямках.
Такі "таровані" нейронні мережі можуть стати в нагоді не тільки в біологічних експериментах, але і, наприклад, як датчики небезпечних забруднювачів - вони можуть вимірювати ефект дії отрут на функціонування нейронних зв'язків.