Інженери досягли важливої віхи в біоелектроніці, розробивши друковані штучні нейрони, які можуть «спілкуватися» з біологічними клітинами в живому мозку. Цей прорив, нещодавно опублікований в журналі Nature Nanotechnology, пропонує потенційну дорожню карту для двох революційних областей: високоефективних нейроморфних обчислень і передових нейрокомп’ютерних інтерфейсів (BCI).
Проблема: чому кремній «не розуміє» мозок
Щоб зрозуміти значимість цього відкриття, слід розглянути фундаментальну несумісність між сучасними технологіями та біологією людини.
Традиційні обчислення спираються на кремнієві чіпи – жорсткі двовимірні структури, що складаються з фіксованих транзисторів. Навпаки, людський мозок є динамічною 3D-матрицею з гнучких клітин. Біологічні нейрони постійно еволюціонують: їх зв’язки зміцнюються при використанні та слабшають, якщо ними не скористатися.
Сучасні нейрокомп’ютерні інтерфейси часто працюють неефективно, тому що намагаються взаємодіяти з ніжною нервовою тканиною за допомогою «грубих» електричних імпульсів, які не відповідають природній мові мозку. Ця невідповідність може призвести до поганої інтеграції та обмеженої функціональності.
Інновація: імітація «спайка»
Попередні спроби створення штучних нейронів зазвичай ділилися на два табори:
1. М’які органічні матеріали (наприклад, гелі): вони імітують текстуру мозку, але часто занадто повільні, щоб відповідати швидкості передачі нейронних сигналів.
2. Тверді оксиди металів: вони досить швидкі, але їм не вистачає біологічної гнучкості.
Дослідницька група під керівництвом Марка Херсама з Північно-Західного університету (Northwestern University) обійшла цю дилему, використовуючи друкарське чорнило, що містить дисульфід молібдену (напівпровідник) і графен (провідник), на гнучкій полімерній підкладці.
Хоча полімери зазвичай є перешкодою для проходження електричного струму, команда виявила, що їх можна використовувати з вигодою для справи. Точно контролюючи процес нагрівання та часткового розкладання полімеру, вони створили крихітні «енергетичні філаменти». Це дозволяє пристрою демонструвати ефект «негативного диференціального опору з різким стрибком» – раптовий сплеск і подальший спад енергії, який точно імітує те, як справжній нейрон видає «спайк» (імпульс).
Підтвердження зв’язку
Щоб перевірити ефективність цих створених у лабораторії клітин, дослідники розмістили штучні нейрони поруч із зрізами тканини мозку миші. Результати виявилися вкрай обнадійливими: біологічні нейрони реагували на штучні сигнали з тією самою швидкістю, як і природні. Це говорить про те, що мозок може ефективно «декодувати» ці синтетичні сигнали, сприймаючи їх як такі, що мають біологічне походження.
Горизонти майбутнього і стоять перешкоди
Наслідки впровадження цієї технології величезні — від проривів у медицині та обчисленнях до:
– Нейроморфні обчислення: створення апаратного забезпечення ІІ, що імітує архітектуру мозку, що радикально знизить колосальне енергоспоживання сучасних цифрових систем ІІ.
– Медичне протезування: розробки більш безшовних інтерфейсів для керування роботизованими кінцівками або допоміжними пристроями.
– Нейрорегенерації: потенційного використання штучних нейронів для заміни пошкоджених клітин у пацієнтів, які страждають на дегенеративні захворювання, такі як хвороба Альцгеймера.
Шлях вперед
Незважаючи на цей прогрес, експерти попереджають, що ми ще не готові до постійної імплантації у мозок. Тімоті Леві, професор біоелектроніки, зазначає, що хоча ми можемо керувати цими нейронами протягом коротких періодів часу, довгострокова стабільність залишається серйозною перешкодою.
Більше того, один нейрон – це лише частина пазла. Головна проблема, що стоїть перед вченими, — це інтеграція. Щоб по-справжньому відтворити мозок, дослідники повинні зрозуміти, як з’єднати ці штучні нейрони між собою за допомогою штучних синапсів для створення складних функціонуючих ланцюгів.
«У нас є ряд пристроїв, що імітують різні елементи мозку, але нам необхідно об’єднати їх у ланцюги, які будуть мати повну функціональність». – * Марк Херсам, Північно-Західний університет *
Висновок: Хоча здатність синхронізувати штучні та біологічні нейрони є видатним досягненням, наступне велике завдання полягає в тому, щоб об’єднати ці окремі компоненти у складні, довговічні нейронні мережі.
