Штучні органічні нейрони полегшують зв'язок між біологією та електронікою
Вчені розробили перший біореалістичний штучний нейрон, який може ефективно взаємодіяти зі справжніми біологічними нейронами.
Розробка штучного інтелекту ведеться давно, але і сьогодні залишається актуальною темою. Комп'ютерний алгоритм "вчиться" на прикладах та визначає свої правильні та неправильні відповіді. На відміну від комп'ютерного алгоритму, мозок людини працює з нейронами — клітинами мозку. Вони навчаються та передають сигнали іншим нейронам. Ця складна мережа нейронів, сполучних шляхів та синапсів контролює наші думки та дії.
Біологічні сигнали набагато різноманітніші, ніж звичайні комп'ютерні. Нейрони в біологічній нейронній мережі взаємодіють із біохімічним середовищем. Зокрема, нейрони "спілкуються" або хімічним шляхом, випускаючи речовини-месенджери, або за допомогою електричних імпульсів.
Ефективна робота штучних нейронів є ключем до розвитку нейроморфної електроніки. Штучні нейрони повинні реалістично імітувати функцію своїх біологічних аналогів та обробляти всю різноманітність сигналів, які існують у біології.
На даний момент найбільшою проблемою є нездатність таких нейронів працювати у біологічному середовищі, що значно обмежує їхні можливості. Створено багато варіантів штучних органічних нейронів на основі звичайних схемних генераторів. Вони електрично емулюють свої біологічні аналоги, але не беруть до уваги вологе біологічне середовище, що складається з іонів, біомолекул та нейротрансмітерів.
Вчені на чолі з Пасхалісом Гкупіденісом (Paschalis Gkoupidenis), керівником групи у відділі Пола Блома (Paul Blom) в Інституті досліджень полімерів імені Макса Планка, вирішили цю проблему та розробили перший біореалістичний штучний нейрон, заснований на компактному нелінійному електрохімічному елементі. Штучний нейрон може працювати в рідині та чутливий до концентрації біологічних речовин (таких як дофамін або іони) у його оточенні. Він може генерувати різну імпульсну динаміку, яка є у біології. В результаті такі штучні нейрони зможуть "спілкуватися" зі своїми справжніми біологічними аналогами.
"Такий штучний елемент може стати ключем до біореалістичних нейропротезів, які будуть взаємодіяти тією ж мовою, що і біологія, дозволяючи ефективно відновлювати, замінювати або навіть посилювати функції нервової системи", - говорить Гкупіденіс.
Органічний штучний нейрон (OAN) створений із компактного нелінійного елементу, що складається всього з двох органічних електрохімічних транзисторів (ОEND). Вони працюють у водному середовищі та чутливі до іонних частинок та багатоатомних іонів. OAN показує ключові характеристики, що спостерігаються у піковій відповіді біологічних нейронів. OAN працює в рідині, і ця властивість нагадує позаклітинне середовище біологічних нейронів у спинномозковій рідині. Збудливість ОАН, тобто схильність нейрона до збудження спайків, може модулюватись наявністю електрохімічних коливань, що передаються за допомогою потоків іонів в електролітичному середовищі. Електрохімічні коливання рідини формують активаційні властивості OAN, імітуючи характерні особливості біологічних нейронів. OAN, як вже було зазначено, спроектовано на основі нелінійного електрохімічного елемента. Подібно до біологічних нейронів, що функціонують у вологому середовищі, OAN може імітувати біологічну чутливість до іонних та біомолекулярних частинок у навколишньому водному середовищі. Штучний нейрон демонструє нелінійні явища, які залежить від складу біофізично значимого середовища господаря. Вчені експериментально підтвердили його роботу з різними електролітами, включаючи звичайні водні електроліти, буферні розчини та середовища для культивування клітин. Вони також створили біогібридні інтерфейси, у яких OAN модулювався біологічною мембраною епітеліальних клітин у режимі реального часу.
В результаті вченим вдалося створити штучний нейрон, який веде себе реалістично і здатний спілкуватися в біологічних середовищах у різний спосіб, у тому числі хімічно або через іонні носії заряду.
Тут можна переглянути опубліковану дослідницьку роботу.