Искусственные органические нейроны облегчают связь между биологией и электроникой
Ученые разработали первый биореалистичный искусственный нейрон, который может эффективно взаимодействовать с настоящими биологическими нейронами.
Разработка искусственного интеллекта ведется давно, но все еще остается актуальной темой. Компьютерный алгоритм "учится" на примерах и определяет свои правильные и неправильные ответы. В отличие от компьютерного алгоритма, человеческий мозг работает с нейронами — клетками мозга. Они обучаются и передают сигналы другим нейронам. Эта сложная сеть нейронов, соединительных путей и синапсов контролирует наши мысли и действия.
Биологические сигналы гораздо более разнообразны по сравнению с обычными компьютерами. Нейроны в биологической нейронной сети взаимодействуют с биохимической средой. В частности, нейроны "общаются" либо химическим путем, испуская вещества-мессенджеры, либо с помощью электрических импульсов.
Эффективная работа искуственных нейронов является ключом к развитию нейроморфной электроники. Искусственные нейроны должны реалистично имитировать функцию своих биологических аналогов и обрабатывать все разнообразие сигналов, существующих в биологии.
На данный момент наибольшей проблемой является неспособность таких нейронов работать в биологической среде, что значительно ограничивает их возможности. Создано много вариантов органических искусственных нейронов на основе обычных схемных генераторов. Они электрически эмулируют свои биологические аналоги, но не принимают во внимание влажную биологическую среду, состоящую из ионов, биомолекул и нейротрансмиттеров.
Ученые во главе с Пасхалисом Гкупиденисом (Paschalis Gkoupidenis), руководителем группы в отделе Пола Блома (Paul Blom) в Институте исследований полимеров имени Макса Планка, решили эту проблему и разработали первый биореалистичный искусственный нейрон, основанный на компактном нелинейном электрохимическом элементе. Искусственный нейрон может работать в жидкости и чувствителен к концентрации биологических веществ (таких как дофамин или ионы) в его окружении. Он может генерировать различную импульсную динамику, которая присутствует в биологии. В результате такие искусственные нейроны смогут общаться со своими «настоящими» биологическими аналогами.
"Такой искусственный элемент может стать ключом к биореалистичным нейропротезам, которые будут взаимодействовать на том же языке, что и биология, позволяя эффективно восстанавливать, заменять или даже усиливать функции нервной системы", — говорит Гкупиденис.
Органический искусственный нейрон (OAN) состоит из компактного нелинейного строительного блока, состоящего всего из двух органических электрохимических транзисторов (ОEND). Они работают в водной среде и чувствительны к ионным частицам и многоатомным ионам. OAN показывает ключевые характеристики, наблюдаемые в пиковом ответе биологических нейронов. OAN работает в жидкости, и это свойство напоминает внеклеточную среду биологических нейронов в спинномозговой жидкости. Возбудимость ОАН, т. е. склонность нейрона к возбуждению спайков, может модулироваться наличием электрохимических колебаний, передаваемых с помощью потоков ионов в электролитической среде. Электрохимические колебания в жидкости формируют активационные свойства OAN, имитируя характерные особенности биологических нейронов. OAN спроектирован на основе нелинейного электрохимического элемента. Подобно биологическим нейронам, функционирующим во влажной среде, OAN может имитировать биологическую чувствительность к ионным и биомолекулярным частицам в окружающей водной среде. Искусственный нейрон демонстрирует нелинейные явления, которые зависят от состава биофизически значимой среды хозяина. Ученые экспериментально подтвердили его работу с различными электролитами, включая обычные водные электролиты, буферные растворы и среды для культивирования клеток. Они также создали биогибридные интерфейсы, в которых OAN модулировался биологической мембраной эпителиальных клеток в режиме реального времени.
В результате ученым удалось создать искусственный нейрон, который ведет себя реалистично и способен общаться в биологических средах различными способами, в том числе химически или через ионные носители заряда.
Здесь можно посмотреть опубликованную исследовательскую работу.