Сделан важный шаг к соединению мозга с компьютером

Учёные создали искусственное соединение для нейронов (биогибридный синапс), которое работает с помощью тех же химических веществ, что и его естественные аналоги. Это первый шаг к по-настоящему тесной интеграции компьютера и мозга.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Materials.

Как разговаривают нейроны

Напомним, что синапс — это контакт между двумя клетками нервной ткани (при этом между парой нейронов может быть множество "параллельных" синапсов).

Мембраны двух нервных клеток в синапсе отделены друг от друга синаптической щелью. Можно представить её как пропасть с двумя "берегами". Каждый берег — это мембрана (стенка) одной из двух клеток. Мембрана посылающей сигнал клетки называется пресинаптической, а мембрана "клетки-приёмника" — постсинаптической. Задача синапса — передать сигнал через разделяющую их пропасть.

Подавляющее большинство синапсов в нервной системе — химические (есть ещё электрические синапсы, но сейчас речь не о них). В таких синапсах информация передаётся с помощью специального химического вещества — нейромедиатора.

Когда нервный сигнал достигает пресинаптической мембраны, та выделяет в синаптическую щель нейромедиатор. Молекулы нейромедиатора путешествуют через щель и на противоположной стороне улавливаются рецепторами постсинаптической мембраны.

Отметим, что передача сигнала через химический синапс возможна только в одну сторону. Пресинаптическая мембрана "умеет" вырабатывать нейромедиатор, а постсинаптическая — его улавливать, но не наоборот.

Ключ к памяти

Ещё одно важное свойство химических синапсов — пластичность, то есть изменение способности проводить сигнал. Именно она позволяет нам запоминать информацию и, следовательно, учиться.

Кратковременное запоминание информации связано с тем, что в нейронных сетях, занятых обработкой этой самой информации, на короткое время увеличивается проводимость синапсов. Организм достигает этого за счёт повышения количества нейромедиатора или числа рецепторов на постсинаптической мембране.

Долговременная же память связана с ростом количества синапсов между нужными нейронами или увеличением их размеров.

Схема работы естественного синапса (слева) и разработанного авторами искусственного синапса (справа). Перевод Вести.Ru.

Иллюстрация Scott T. Keene et al./Nature Materials (2020).

Почти настоящие синапсы

Учёные давно экспериментируют над соединением живых нейронов с помощью искусственных синапсов. Однако до сих пор такие системы, как правило, были электронными. Такие синапсы не реагировали на нейромедиатор, выделяемый живой клеткой. Исследователям приходилось использовать обходные пути, чтобы "научить" нейрон подавать сигнал на биоинженерный синапс.

Теперь международная команда исследователей разработала искусственный синапс, реагирующий на природный нейромедиатор дофамин.

В качестве пресинаптической мембраны в новой системе выступает мембрана живой клетки. Она выделяет дофамин. Тот вступает в химическую реакцию, окисляясь до о-хинона.

Молекулы о-хинона затем достигают электрода, играющего роль постсинаптической мембраны. Он изготовлен из мягкого биосовместимого полимера под названием PEDOT:PSS.

Так синапс проводит сигнал. Но, чтобы быть похожим на своих биологических "коллег", он должен ещё уметь изменять свою проводимость.

Для этого учёные расположили за постсинаптическим электродом канал, заполненный электролитом на основе воды. Когда электрод получает сигнал, заряд на нём изменяется. Это ведёт к выбросу в этот канал ионов. В результате увеличивается проводимость канала, а вместе с ней и проводимость всего синапса.

В зависимости от определённых условий это изменение может быть как кратковременным, так и долговременным. За счёт этого система потенциально способна учиться примерно так же, как это делают естественные нейронные сети.

Предполагаемая схема соединения искусственного синапса с живым нейроном. Перевод Вести.Ru.

Иллюстрация Scott T. Keene et al./Nature Materials (2020).

Исследователи испытали своё детище, соединяя искусственные синапсы с клетками из клеточной линии PC12. Эта линия ведёт своё происхождение от эмбриональных стволовых клеток крысы. Клетки PC12 имеют некоторое сходство с нейронами, в частности, умеют вырабатывать дофамин.

Авторы раздражали живые клетки, заставляя их выделять нейромедиатор. Эксперименты показали, что синапс действительно проводит сигнал, когда в синаптическую щель поступает порция дофамина. Эксперты продемонстрировали также кратковременное и долговременное изменение проводимости синапса.

Учёные надеются, что их разработка позволит создать множество полезных вещей, от систем, по-настоящему глубоко интегрирующих мозг с электроникой, до новых исследовательских инструментов для нейробиологов.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, как биологи соединили живые и искусственные нейроны через Интернет. Говорили мы и об экспериментах по сращиванию нейронов с микросхемами.