Дослідники з Лінчепінгського університету (LiU), Швеція, створили штучний органічний нейрон, який точно повторює характеристики біологічних нервових клітин. Цей штучний нейрон може стимулювати природні нерви, що робить його перспективною технологією для різних медичних процедур у майбутньому.
У Лабораторії органічної електроніки LOE триває робота з розробки все більш функціональних штучних нервових клітин. У 2022 році команда вчених на чолі з доцентом Сімоною Фабіано продемонструвала, як штучний органічний нейрон можна інтегрувати в живу хижу рослину, щоб контролювати відкривання та закривання її пащі. Ця синтетична нервова клітина відповідала 2 з 20 характеристик, які відрізняють її від біологічної нервової клітини.
У своєму останньому дослідженні, опублікованому сьогодні (12 січня) в журналі Nature Materials , ті ж дослідники з LiU розробили нову штучну нервову клітину під назвою «органічний електрохімічний нейрон на основі провідності» або c-OECN, яка точно імітує 15 із нейронів. 20 нейронних особливостей, які характеризують біологічні нервові клітини, що робить їх функціонування набагато схожим на природні нервові клітини.
«Однією з ключових проблем у створенні штучних нейронів, які ефективно імітують справжні біологічні нейрони, є здатність включити іонну модуляцію. Традиційні штучні нейрони, виготовлені з кремнію, можуть емулювати багато нейронних функцій, але не можуть спілкуватися через іони. Навпаки, c-OECN використовують іони, щоб продемонструвати кілька ключових особливостей справжніх біологічних нейронів», — каже Сімоне Фабіано, головний дослідник групи органічної наноелектроніки в LOE.
У 2018 році дослідницька група Лінчепінгського університету була однією з перших, хто розробив органічні електрохімічні транзистори на основі провідних полімерів n-типу, які є матеріалами, які можуть проводити негативні заряди. Це дозволило створювати комплементарні органічні електрохімічні схеми для друку. Відтоді група працює над оптимізацією цих транзисторів, щоб їх можна було друкувати в друкарському верстаті на тонкій пластиковій фользі. У результаті тепер можна надрукувати тисячі транзисторів на гнучкій підкладці та використовувати їх для розробки штучних нервових клітин.
У нещодавно розробленому штучному нейроні іони використовуються для керування потоком електронного струму через провідний полімер n-типу, що призводить до стрибків напруги пристрою. Цей процес схожий на той, що відбувається в біологічних нервових клітинах. Унікальний матеріал у штучній нервовій клітині також дозволяє збільшувати та зменшувати струм за майже ідеальною дзвоноподібною кривою, яка нагадує активацію та інактивацію каналів іонів натрію, виявлені в біології.
«Кілька інших полімерів демонструють таку поведінку, але лише жорсткі полімери стійкі до розладів, що забезпечує стабільну роботу пристрою», — каже Сімоне Фабіано.
В експериментах, проведених у співпраці з Каролінським інститутом (KI), нові нейрони c-OECN були підключені до блукаючого нерва мишей. Результати показують, що штучний нейрон може стимулювати нерви мишей, викликаючи зміну частоти серцевих скорочень на 4,5%.
Той факт, що штучний нейрон може стимулювати сам блукаючий нерв, у довгостроковій перспективі може прокласти шлях для важливих застосувань у різних формах лікування. Загалом органічні напівпровідники мають перевагу в тому, що вони біосумісні, м’які та пластичні, тоді як блукаючий нерв відіграє ключову роль, наприклад, в імунній системі та метаболізмі організму.
Наступним кроком для дослідників стане зменшення споживання енергії штучними нейронами, яке все ще набагато вище, ніж у людських нервових клітин. Попереду ще багато роботи, щоб штучно відтворити природу.
«Є багато чого, що ми все ще не до кінця розуміємо про людський мозок і нервові клітини. Насправді ми не знаємо, як нервова клітина використовує багато з цих 15 продемонстрованих функцій. Імітація нервових клітин може допомогти нам краще зрозуміти мозок і створити схеми, здатні виконувати інтелектуальні завдання. У нас попереду довгий шлях, але це дослідження є хорошим початком», — говорить Падінхаре Чолаккал Харікеш, постдоктор і головний автор наукової статті. Джерело