Искусственные синапсы работают вместе с биологическими клетками мозга

Лайнуть/Поделиться

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.

Фотография Альберто Сальео и Скотта Кина 2017 года, тестирующих электрохимические свойства предыдущего дизайна искусственного синапса.

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:

Редакция

Опубликовала
Редакция
Метки: ИНС

Недавние публикации

Негативное поведение вызывает те же паттерны в мозгу, что и плохой запах

Исследователи из Женевского университета обнаружили, что наблюдение за негативным поведением вызывает такие же нейронные реакции,… Читать далее

20/10/2020

Плавание в холодной воде может защитить от деменции, согласно новому исследованию

Купания на открытом воздухе могут быть вознаграждены определенными неврологическими преимуществами. Согласно еще не опубликованному исследованию, проведенному… Читать далее

20/10/2020

Рентгеновские видео показывают суставы в движении

В теле человека насчитывается четыре типа подвижных соединений. И то, как они выглядят, мы знаем по статичным рентгеновским снимкам. Дизайнер из Сан-Франциско… Читать далее

20/10/2020

Выяснилось, почему муравьи такие сильные

Международная группа ученых сделала рентгеновские снимки грудного отдела тела муравьев, проанализировав их мышцы и внутренний… Читать далее

20/10/2020

Шизофрения корректирует эмоции

Ученые выяснили, что пациенты с шизофренией ощущают эмоции совсем не так, как это происходит у… Читать далее

20/10/2020

Дети гомосексуальных нидерландских пар оказались успешнее сверстников

Нидерландские дети, воспитанные гомосексуальными парами, учатся лучше сверстников, воспитанных гетеросексуальными парами. К такому выводу пришли… Читать далее

19/10/2020