Физики впервые наладили обмен сигналами между живыми и искусственными нейронами
Речь идет о мемристорах — электронных элементах с эффектом памяти. Мемристоры могут не только проводить ток, но и «запоминать», какой ток проходил через них раньше. Из-за этого их сопротивление меняется в зависимости от предыдущей работы, что делает такие устройства похожими на синапсы и нейроны в нервной системе.
Источник: Новости науки. Иллюстрация создана с помощью трансформера.
МОСКВА, 16 апреля. /Новости науки/. Американские физики впервые смогли заставить искусственные нейроны на базе мемристоров обмениваться сигналами с настоящими нервными клетками. Это важный шаг к созданию новых нейроинтерфейсов и электроники, которую в будущем можно будет напрямую соединять с нервной системой, сообщила пресс-служба Северо-Западного университета.
«Коллеги уже пытались создать аналоги нейронов, используя или органические материалы, или оксиды металлов. Первые вырабатывают импульсы слишком медленно, а вторые — значительно быстрее, чем это делают реальные нервные клетки. Мы впервые создали мемристоры, которые вырабатывают импульсы с той формой и частотой, позволяющей им “общаться” с нервными клетками», — заявил профессор Марк Эрсэм.
Речь идет о мемристорах — электронных элементах с эффектом памяти. Мемристоры могут не только проводить ток, но и «запоминать», какой ток проходил через них раньше. Из-за этого их сопротивление меняется в зависимости от предыдущей работы, что делает такие устройства похожими на синапсы и нейроны в нервной системе. Ученые давно рассматривают их как основу для искусственных нейронов, потому что такие устройства могут работать намного экономичнее обычной электроники. В перспективе они могут пригодиться и для энергосберегающих систем искусственного интеллекта, и для нейроинтерфейсов, которые будут связывать технику с мозгом.
Исследователи из США разработали новый тип мемристоров, которые можно буквально печатать на гибкой подложке при помощи специальных чернил. В их состав входят полимеры, графен и дисульфид молибдена. Это делает производство таких устройств более простым и менее затратным.
Раньше похожие подходы уже пробовали использовать, но была проблема: стабилизирующий полимер в чернилах ухудшал проводимость напечатанных дорожек. Команда Эрсэма нашла способ обойти это ограничение. Ученые частично разрушили молекулы полимера, а затем пропустили ток через мемристор. В результате внутри устройства сформировались тонкие волокнообразные проводящие структуры, которые по своим электрическим свойствам стали напоминать настоящие нейроны.
Эксперименты показали, что такие искусственные нейроны умеют вырабатывать не только одиночные импульсы, но и более сложные паттерны активности — серии и вспышки сигналов. При этом частота этих импульсов оказалась близка к той, что характерна для живых нервных клеток.
После этого ученые проверили, смогут ли рукотворные нейроны взаимодействовать с настоящими. Для этого они соединили мемристоры с цепочками нервных клеток, взятых из коры мозга мыши.
Оказалось, что живые нейроны действительно реагируют на сигналы от мемристоров: они начинали вырабатывать собственные импульсы, которые затем могли считывать искусственные нейроны. Иными словами, между двумя системами — живой и электронной — удалось наладить двусторонний обмен сигналами.
По мнению исследователей, это открывает дорогу к созданию более «природоподобных» нейроинтерфейсов, которым не понадобится сложная промежуточная аппаратура для считывания и передачи сигналов. В будущем такие технологии могут использоваться в медицине, например для связи протезов и имплантов с нервной системой, а также в новых типах биосовместимой электроники.
«Коллеги уже пытались создать аналоги нейронов, используя или органические материалы, или оксиды металлов. Первые вырабатывают импульсы слишком медленно, а вторые — значительно быстрее, чем это делают реальные нервные клетки. Мы впервые создали мемристоры, которые вырабатывают импульсы с той формой и частотой, позволяющей им “общаться” с нервными клетками», — заявил профессор Марк Эрсэм.
Речь идет о мемристорах — электронных элементах с эффектом памяти. Мемристоры могут не только проводить ток, но и «запоминать», какой ток проходил через них раньше. Из-за этого их сопротивление меняется в зависимости от предыдущей работы, что делает такие устройства похожими на синапсы и нейроны в нервной системе. Ученые давно рассматривают их как основу для искусственных нейронов, потому что такие устройства могут работать намного экономичнее обычной электроники. В перспективе они могут пригодиться и для энергосберегающих систем искусственного интеллекта, и для нейроинтерфейсов, которые будут связывать технику с мозгом.
Исследователи из США разработали новый тип мемристоров, которые можно буквально печатать на гибкой подложке при помощи специальных чернил. В их состав входят полимеры, графен и дисульфид молибдена. Это делает производство таких устройств более простым и менее затратным.
Раньше похожие подходы уже пробовали использовать, но была проблема: стабилизирующий полимер в чернилах ухудшал проводимость напечатанных дорожек. Команда Эрсэма нашла способ обойти это ограничение. Ученые частично разрушили молекулы полимера, а затем пропустили ток через мемристор. В результате внутри устройства сформировались тонкие волокнообразные проводящие структуры, которые по своим электрическим свойствам стали напоминать настоящие нейроны.
Эксперименты показали, что такие искусственные нейроны умеют вырабатывать не только одиночные импульсы, но и более сложные паттерны активности — серии и вспышки сигналов. При этом частота этих импульсов оказалась близка к той, что характерна для живых нервных клеток.
После этого ученые проверили, смогут ли рукотворные нейроны взаимодействовать с настоящими. Для этого они соединили мемристоры с цепочками нервных клеток, взятых из коры мозга мыши.
Оказалось, что живые нейроны действительно реагируют на сигналы от мемристоров: они начинали вырабатывать собственные импульсы, которые затем могли считывать искусственные нейроны. Иными словами, между двумя системами — живой и электронной — удалось наладить двусторонний обмен сигналами.
По мнению исследователей, это открывает дорогу к созданию более «природоподобных» нейроинтерфейсов, которым не понадобится сложная промежуточная аппаратура для считывания и передачи сигналов. В будущем такие технологии могут использоваться в медицине, например для связи протезов и имплантов с нервной системой, а также в новых типах биосовместимой электроники.
