Вперше створені штучні нейрони, здатні замінити живі

Міжнародна команда дослідників створила штучні нейрони, здатні діяти в точності як живі клітини.

Це одне з найбільш очікуваних досягнень науки. Хоча технологія поки далека від клінічного застосування, в майбутньому вона дозволить зробити великі прориви в багатьох сферах.

Автори пояснюють: розробка нейронів, які реагують на електричні сигнали від нервової системи подібно справжнім клітинам, відкриває нові можливості в лікуванні станів, при яких реальні нейрони не функціонують належним чином або ж гинуть (нейродегенерації, пошкодження спинного мозку і так далі). Штучні нейрони допоможуть відновлювати зруйновані біологічні ланцюги, якщо візьмуть на себе виконання тих чи інших функцій.

Вчені зізнаються: робота була непростою і дуже трудомісткою.

Спершу вони змоделювали і вирішили рівняння для пояснення того, як нейрони реагують на електричні стимули (або сигнали) інших нервових клітин. Це було нелегко, оскільки відповіді є "нелінійними". Скажімо, якщо сигнал посилюється в два рази, він не обов'язково означає подвійне посилення реакції.

Потім вченим потрібно було створити складні математичні моделі, які могли б контролювати цю "нелінійну" електричну активність в штучних нейронах.

Пізніше команда розробила кремнієві чіпи - синтетичні схеми, які точно моделювали біологічні іонні канали.

Експерименти показали, що штучні нейрони реагують на широкий діапазон стимулів, досить точно імітуючи активність своїх біологічних аналогів.

Зокрема, дослідники змогли відтворити повну динаміку нейронів гіпокампу та дихальних нейронів щурів.

Вчені добилися точного відтворення електричних властивостей реальних нейронів в їх штучних аналогах.

Наш підхід об'єднує кілька проривів. Ми можемо дуже точно оцінити параметри, які контролюють поведінку будь-яких нейронів. Ми створили фізичні моделі апаратного забезпечення і продемонстрували його здатність успішно імітувати поведінку реальних живих нейронів. Третім проривом є універсальність нашої моделі, яка допускає включення різних типів і функцій ряду складних нейронів ссавців ", - розповів керівник проекту професор Ален Ногарет (Alain Nogaret) з Університету Бата.

Він також зазначив, що штучним нейронам потрібно всього лише 140 нановатт енергії (це мільярдна частка потужності, необхідної для роботи мікропроцесора).

Завдяки цьому вони чудово підходять для біоелектронних імплантатів для лікування хронічних захворювань", - пояснив Ногарет.

Мініатюрні кремнієві мікрочіпи мають широкий спектр застосувань. Наприклад, ними можна замінити нейрони, пошкоджені нейродегенеративними захворюваннями, такими як хвороба Альцгеймера або бічний аміотрофічний склероз.

Інша цікава перспектива - створення "розумного" кардіостимулятора, який "налаштовує" не тільки частоту серцебиття, а й зворотний зв'язок з нервовою системою, підміняючи певні нейрони в головному мозку. Якщо останні не посилають потрібні сигнали серця, у пацієнта розвивається серцева недостатність. Штучні нейрони можуть усунути таку "неполадку".

Нова технологія також може бути використана для реалізації нового типу інтерфейсу "мозок-машина".

Втім, дослідники зізнаються, що набагато більше їх цікавлять медичні області застосування штучних нейронів. Надалі автори сподіваються створити мініатюрну біоелектроніку, що забезпечує індивідуальний підхід до лікування кожного пацієнта.

Стаття з докладним описом проривний розробки представлена в журналі Nature Communications.