В Лаборатории органической электроники Университета Линчепинга уже долгое время ведется работа по созданию совершенных искусственных нервных клеток. В прошлом году группа ученых продемонстрировала, что искусственный органический нейрон можно интегрировать в живое плотоядное растение, чтобы управлять открытием и закрытием его пасти. Эта синтетическая нервная клетка соответствовала 2 из 20 характеристик, присущим ее биологическому аналогу.
Одной из ключевых проблем при создании искусственных нейронов, которые эффективно имитируют настоящие биологические нейроны, является возможность включения модуляции ионов. Традиционные искусственные нейроны из кремния могут эмулировать многие функции нейронов, но не могут общаться через ионы. Но работа в улучшении технологий продолжается.
В своем последнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Materials, те же исследователи из LiU разработали новую искусственную нервную клетку под названием "органический электрохимический нейрон на основе проводимости" или c-OECN, которая точно имитирует 15 из 20 нейронных особенностей, которые характеризуют биологические нервные клетки, делая их работу более похожей на естественные нервные клетки.
В 2018 году эта исследовательская группа в Университете Линчепинга одной из первых разработала органические электрохимические транзисторы на основе проводящих полимеров n-типа, материалов, способных проводить отрицательные заряды. Это позволило построить комплементарные органические электрохимические схемы, пригодные для печати. С тех пор группа работает над оптимизацией этих транзисторов, чтобы их можно было печатать в печатном станке на тонкой пластиковой фольге. В результате теперь можно печатать тысячи транзисторов на гибкой подложке и использовать их для разработки искусственных нервных клеток.
В недавно разработанном искусственном нейроне ионы используются для управления потоком электронного тока через проводящий полимер n-типа, что приводит к скачкам напряжения устройства. Этот процесс подобен тому, который происходит в биологических нервных клетках. Уникальный материал в искусственной нервной клетке также позволяет увеличивать и уменьшать ток по почти идеальной колоколообразной кривой, которая напоминает активацию и инактивацию ионных каналов натрия, встречающихся в биологии.
В экспериментах, проведенных в сотрудничестве с Каролинским институтом (KI), новые нейроны c-OECN были подключены к блуждающему нерву мышей. Результаты показывают, что искусственный нейрон может стимулировать нервы мышей, вызывая изменение их частоты сердечных сокращений на 4,5%.
Тот факт, что искусственный нейрон может стимулировать сам блуждающий нерв, может в долгосрочной перспективе проложить путь к важным применениям в различных формах лечения. В целом преимущество органических полупроводников состоит в том, что они биосовместимы, мягки и податливы, а блуждающий нерв играет ключевую роль, например, в иммунной системе организма и обмене веществ.
Следующим шагом исследователей станет снижение энергопотребления искусственных нейронов, которое все еще намного выше, чем у нервных клеток человека. Предстоит еще многое сделать, чтобы идеально точно воссоздать природные механизмы.
