Составные сети из нейронов и электроники

Биологи из Германии, Италии и Швейцарии, совместно со знаменитым изготовителем чипов — компанией Infineon Technologies построили микросхему, способную, потенциально, взаимодействовать сразу более чем с 16 тысячами нейронов, что намного больше, чем во всех прежних сходных экспериментах.

Ранее либо чипы работали с очень ограниченным числом нейронов, либо – с большим числом, но не с каждым по отдельности, а с их группами.

В рамках проекта NACHIP (смотрите также страницу проекта университета Падуи) исследователи планомерно идут к удивительной цели – взаимодействию компьютера с набором живых клеток (индивидуально), с возможностью не только получать от них информацию, но и влиять на работу генов в этих клетках.

Основные авторы NACHIP: Петер Фромхерц (Peter Fromherz) из отдела мембран и нейрофизики института биохимии Макса Планка (Department of Membrane and Neurophysics), Стефано Вассанелли (Stefano Vassanelli) из отдела физиологии и анатомии человека университета Падуи (Dipartimento di Anatomia e Fisiologia Umana) и Николас Грифф (Nikolaus G. Greeff) из института физиологии университета Цюриха (University of Zurich, Institute of Physiology).

Самое примечательное в проекте NACHIP то, что отличает его от предшествующих работ – "двусторонний подход" для решения проблемы тесного и эффективного взаимодействия живых нейронов и электроники.

Должна ли электроника стать более "живой", чтобы работать с нейронами, или нейроны нужно менять, чтобы научить их хорошо взаимодействовать с чипами?

А зачем выбирать? Нужно сделать и то, и другое. Так авторы проекта и поступили. С одной стороны, они использовали методы генной инженерии, чтобы подкорректировать строение нейронов, сделав их более "общительными", а с другой – применили новейшие методы микроэлектроники, чтобы максимально адаптировать чип к нейронам.

Один нейрон крысы на микросхеме. Ионный поток в клетке превращает её в составную часть полевого транзистора, позволяя клетке влиять на работу электроники. Опыт Петера Фромхерца (фото с сайта biochem.mpg.de). Из этого движения навстречу получилось вот что.

Специальный чип с поперечником всего в 1 миллиметр содержит 16 тысяч 384 транзистора и сотни конденсаторов. Когда на него высаживаются нервные клетки, транзисторы получают от них сигналы, а конденсаторы, под управлением транзисторов, посылают сигналы от электроники – нейронам.

С точки зрения физики, взаимодействие нейронов и схемы происходит благодаря перемещению ионов натрия через клеточную мембрану, что меняет локальный её заряд, на который реагирует транзистор. В свою очередь, управляемый электроникой заряд на конденсаторе влияет на ионный ток через мембрану, заставляя нейрон реагировать на "запрос" извне.

Использовав генную инженерию, исследователи (а работали они сначала с нейронами улитки, как с более крупными и простыми, а потом – с нейронами крыс, как с более сложными и меньшими по размеру) модифицировали нейроны животных, увеличив в их оболочках число ионных каналов и повысив их активность.

Сам чип также получил новшества: его покрыли белками, которые в мозге связывают нейроны вместе (своего рода клей) и также активируют ионные каналы в нейронах. В чипе были применены транзисторы с уменьшенным шумом, участки для возбуждения нейронов и соседние с ними транзисторы были сближены до нескольких микронов, чтобы можно было посылать импульс и получать отклик от одного единственного нейрона.

Нейроны улитки "прицеплены" к одной из опытных схем, на поверхности которой радиально расходятся дорожки — искусственные синапсы (фото с сайта biochem.mpg.de).

Тесное взаимодействие нервных клеток и схемы позволяет исследователям рассчитывать на следующий шаг: "Должно быть, можно заставить сигналы чипа влиять на нейрон так, чтобы в нём включался новый ген, — говорит Вассанелли. — Чип создан. И мы планируем использовать его, чтобы попробовать включать и отключать гены ".

Как это будет происходить? Химический состав, который непосредственно выключал бы ген, должен быть добавлен в лабораторную чашку, содержащую гибрид нейронов с чипом. Электроника же будет, по замыслу биологов, определять какая из живых клеток, подсоединённых к чипу, отреагирует на раствор, а какая – нет, за счёт влияния на работу клеточных мембран.

Итальянский участник проекта говорит, что такие опыты, с одной стороны, дадут возможность лучше понять работу нейронов, а с другой, позволят создавать новые устройства, скажем, чипы с памятью на основе живых клеток.

Также возможно будет создание чипов-протезов, помогающих в работе организма при заболеваниях нервной системы, или просто – чипов, контролирующих состояние здоровья человека.

Ведь после опытов с нейронами животных экспериментаторы намерены прийти и к опытам с человеческими нейронами. Да и задача совмещения миниатюрной электроники с нервными клетками в организме (а не на лабораторном столе) – уже в том или ином виде решена.

Вспомним, хотя бы "выключатель боли" или управление электронной почтой при помощи мыслей.

Теперь вот на горизонте вырисовывается – коррекция работы генов в теле с вашего компьютера. Ещё один штришок к будущему Homo Electronics?

Живые нейроны заставили соединиться в проектированную сеть

Кластер крысиных нейронов вырос по человеческому чертежу и потому сформировал своего рода "мозговой чип" (фото Yael Hanein).

← Журнал | Наука