Бионические нейроны были разработаны учеными из Университета Бата, которые сотрудничали с коллегами из Бристоля, Цюриха и Окленда. Искусственные нейроны могут заменить клетки, потерянные при болезни Альцгеймера или других нейродегенеративных заболеваниях. Они также могут помочь после травм головного мозга или спинного мозга.
Ученые десятилетиями пытались создать искусственные нейроны. Однако это не простая задача. Нейроны - это специализированные клетки, которые передают информацию в форме электрического сигнала, позволяющего частям тела общаться. Они являются основными клетками головного мозга, спинного мозга и центральной нервной системы. Но они также присутствуют в других областях тела, например, вокруг сердца.
Искусственные нейроны, совместимые с нервной системой
Это не первая попытка создания искусственного эквивалента нейронов, но, как сказал профессор Ален Ногарет из физического факультета Университета Бата, который руководил проектом, новшеством в этом исследовании была передача электрических свойств нервных клеток в цепи синтетического кремния. Описание работы ученых было опубликовано в журнале Nature Communications.
Искусственные нейроны на основе кремниевых чипов, которые ведут себя как настоящие, являются первыми в своем роде с большим потенциалом для применения в медицинских устройствах, используемых для лечения хронических заболеваний, таких как сердечная недостаточность, болезнь Альцгеймера и другие нейродегенеративные заболевания. Кроме того, для функционирования изобретения требуется всего 140 нановатт, что делает их идеальными для использования в медицинских имплантатах и других биоэлектронных устройствах.
Разработка искусственных нейронов, которые реагируют на электрические сигналы нервной системы, как настоящие нейроны, открывает возможность лечения заболеваний, при которых нейроны не работают должным образом, были отрезаны, например, травмы спинного мозга или умерли. Искусственные нейроны могут восстанавливать нарушенные биологические цепи, копируя их функции и реагируя соответствующим образом на биологическую обратную связь, чтобы восстановить функцию организма.
Например, при сердечной недостаточности нейроны, расположенные в основании мозга, не реагируют должным образом на сигналы от нервной системы и не посылают правильные сигналы в сердце, которое не работает должным образом.
Кремниевые системы, такие как настоящие нейроны
Тем не менее, разработка искусственных нейронов была огромной проблемой. Ученые смогли смоделировать, как нейроны реагируют на электрические стимулы от других нейронов. Это чрезвычайно сложно, потому что ответы являются «нелинейными». Другими словами, если сигнал становится в два раза сильнее, он может не обязательно вызывать двойной ответ - это может быть что-то еще.
Затем исследователи разработали кремниевые чипы, которые точно моделируют биологические ионные каналы. Таким образом, они воссоздали полную динамику нейронов гиппокампа, области мозга, которая играет важную роль в процессе памяти, и нейронов, участвующих в управлении процессом дыхания.
- До сих пор нейроны были похожи на черные ящики, но мы смогли открыть такой ящик и заглянуть внутрь. Наша работа меняет парадигму, потому что она обеспечивает надежный метод воспроизведения электрических свойств реальных нейронов вплоть до мельчайших деталей. Но есть нечто большее. Нашим нейронам нужно всего лишь 140 нановатт мощности. Это на порядок меньше мощности микропроцессора, который использовался в предыдущих попытках создания синтетических нейронов. Это делает наши нейроны хорошо подходящими для использования в биоэлектронных имплантатах, - сказал Ногарет.
- Могут быть разработаны умные кардиостимуляторы, которые не только стимулируют работу сердца с постоянной частотой, но также используют нейроны, чтобы в реальном времени реагировать на потребности сердца, что естественно происходит в здоровом сердце. Другие применения могут найти в лечении таких состояний, как болезнь Альцгеймера и другие нейрональные дегенеративные заболевания, признал Ногарет.
Руководитель исследования добавил, что их работа позволяет точно оценить параметры, управляющие поведением нейронов. - Мы создали физические модели и продемонстрировали способность эффективно имитировать поведение реальных живых нейронов. Наш третий прорыв - универсальность нашей модели, которая позволяет комбинировать различные типы и функции ряда сложных нейронов у млекопитающих, - подчеркнул Ногарет.
- Репликация ответов дыхательных нейронов в биоэлектронике, которые могут быть миниатюрными и имплантированными, является очень захватывающей и открывает большие возможности для интеллектуальных медицинских устройств при ряде заболеваний и нарушений, сказал профессор Джулиан Патон из Университета Окленда и Университета Бристоля, соавтор публикации.
Источник: Университет Бата
