Искусственные синапсы работают вместе с биологическими клетками мозга

Гибридная система формирует связи, которые имитируют процесс обучения в мозге.

Ученые из Стэнфордского университета разработали биогибридную систему, которая позволяет искусственным синапсам связываться с живыми клетками мозга. Что отличает ее от других интерфейсов мозг-машина, так это способность реагировать на химические сигналы, а не на электрические сигналы. Это важный шаг вперед в попытках ученых подражать эффективности мозга и естественным процессам обучения. Их исследование появилось сегодня в журнале Nature Materials.

Машинные синапсы и биологические клетки мозга

Исследователи опирались на свою предыдущую работу 2017 года, где они разработали искусственные синапсы, сделанные из двух мягких полимерных электродов, разделенных промежутком, заполненным раствором электролита. Позднее эксперименты показали, что такие устройства могут быть соединены в массивы, имитируя способ, которым реальные биологические синапсы обрабатывают и хранят информацию.

В мозге синапсы — это соединения между нейронами, позволяющие клеткам мозга связываться друг с другом путем обмена химической информацией в виде различных нейротрансмиттеров, таких как дофамин или серотонин.

Нейробиологи считают, что одна из причин, почему человеческий мозг настолько эффективен, связана со способностью синапсов одновременно обрабатывать и хранить информацию. Напротив, компьютеры хранят информацию после ее обработки, что делает их очень медленными по сравнению с мозгом.

Новая гибридная система также использует электрохимию, чтобы позволить множеству искусственных синапсов общаться с живыми клетками, как если бы они были просто еще одним нейроном, обменивающимся информацией со своим соседом.

«Эта статья действительно подчеркивает уникальную силу материалов, которые мы используем для взаимодействия с живой материей», — сказал Альберто Сальео, профессор материаловедения и инженерии в Стэнфорде и соавтор нового исследования. «Эти материалы работают с теми же молекулами, которые нейроны используют естественным образом».

Сальео и его коллеги поместили живые нейроэндокринные клетки от крыс, которые высвобождают нейротрансмиттер дофамин, поверх одного из электродов искусственного синапса. Когда нейротрансмиттеры взаимодействуют с электродом, происходит химическая реакция, в результате которой образуются ионы, которые проходят через траншею синапса ко второму электроду. Ионы изменяют проводящее состояние электрода, что приводит к постоянному изменению соединения, которое имитирует процесс обучения в природе.

«В биологическом синапсе практически все контролируется химическими взаимодействиями в синаптическом соединении. Когда клетки общаются друг с другом, они используют химию», — сказал Скотт Кин, аспирант в Стэнфорде и соавтор статьи. «Возможность взаимодействовать с естественной химией мозга дает устройству дополнительные приемущества».

На данный момент это всего лишь подтверждение концепции. Исследователи не имеют никаких непосредственных планов или применений для своего устройства, так как основной целью исследований было просто показать, что это все возможно. Однако однажды эта работа может привести к созданию нового поколения компьютеров, имитирующих мозг, интерфейсов мозг-машина, медицинских устройств и новых исследовательских инструментов для нейробиологии и поиска лекарств.

DOI: 10.1038/s41563-020-0703-y

Вас также может заинтересовать:

• Использование искусственных нейромедиаторов для нейроморфных вычислений
• Новая технология может переводить мозговые волны в текст с минимальными ошибками
• Искусственные нейроны