Европейские ученые достигли нового уровня совмещения живой ткани и неорганического процессора.
Они разработали схему взаимодействия нейронов млекопитающих и кремниевых чипов и сделали на ее основе рекордную по параметрам микросхему, которая вступает в связь с тысячами нервных клеток.
По словам ученых, потенциальные возможности открытия бесконечны, но главное — сделан новый шаг в развитии технологий, которые встраивают кремниевые цепи в нервную систему.
Новая микросхема способна получать импульсы от более чем 16 000 мозговых нейронов биологического происхождения и посылать обратно сигналы к нескольким сотням клеток. Коллектив ученых из Италии и Германии смог «сжать» 16 384 транзистора и сотни конденсаторов в микрочип размером всего 1 миллиметр. Все предыдущие нейрочипы связывались или сразу с группой объединенных нейронов, или с намного меньшим числом нейронов.
Окруженные нейронами транзисторы получают сигналы от нервных клеток, одновременно конденсаторы отсылают к ним сигналы. Каждый транзистор на чипе улавливает малейшее, едва заметное изменение электрического заряда, которое происходит при «выстреле» нейрона в процессе передачи заряженных ионов натрия (ионы проникают внутрь клеток и наружу через специальные поры). И наоборот, воздействие электрического заряда на каждый отдельный конденсатор изменяет движение ионов натрия, возбуждая нейрон и заставляя его реагировать.
Исследователи выбрали «двухколейный» подход, чтобы и оптимизировать чип, и «улучшить» биологию нейрона.
Пришлось также переделать и сами нейроны, чтобы усилить связь между чипом и клетками.
Во-первых, пришлось генетически изменить нейроны, чтобы увеличить в них количество пор. Во-вторых, ученые добавили к чипу протеины, которые «склеивают» нейроны в мозге, также образуя дополнительные натриевые каналы. Увеличение числа натриевых каналов повышает шансы на то, что транспорт ионов преобразуется в электрические сигналы в чипе.
По словам Вассанелли, останавливаться на достигнутом нейроинженеры не собираются: «Определенно должен найтись способ, который заставит нейрон по приказу из чипа изменять свою мембрану или включать и выключать гены». Когда создадут и такую технологию, путь к управлению многими тысячами нейронов будет открыт.
Как говорят авторы работы, их устройство поможет исследователям прояснить принципы работы и коммуникации клеток мозга, лечить неврологические болезни, а также (в будущем) приведет к созданию органических компьютеров, работающих «на нейронах», как человеческий мозг.
О конкретных методиках применения своего чипа ученые пока не говорят. Впрочем, они могут использовать уже наработанные схемы
Например, в 2003 году в университете Южной Калифорнии под руководством Теодора Бергера разработан первый искусственный протез одного из отделов мозга — гиппокампа, отвечающего за долговременную память. Сначала ученые создали математическую модель работы гиппокампа в различных ситуациях, которую затем встроили в кремниевый чип. Поведение гиппокампа просто скопировали: принципы, по которым он кодирует информацию, неизвестны.
Информацией с остальными частями мозга микросхема, прикрепленная к черепной коробке снаружи, обменивается с помощью двух групп электродов, подходящих непосредственно к поврежденной области. Первая группа регистрирует сигналы электрической активности, другая – отправляет команды обратно в мозг. Предполагается, что гиппокамп представляет собой совокупность нейронных сетей, функционирующих параллельно, так что становится возможным просто обойти всю поврежденную область целиком.
А в 2004 году в США ученые вживили электронный чип BrainGate в мозг парализованного человека, с его помощью 24-летний юноша смог управлять телевизором и компьютером силой мысли. Систему, содержащую 100 электродов, которые считывают информацию со 100 нейронов, впервые встроили прямо в кору головного мозга. Ранее такие чипы вживляли в мышцы языка или глаз парализованных пациентов, что значительно затрудняло управление ими.
