Бактерія Geobacter sulfurreducens починалася скромно: її вперше виділили із бруду в канаві в Нормані, штат Оклахома. Але тепер ці дивовижні мікроби стали ключем до створення перших штучних нейронів, здатних безпосередньо взаємодіяти з живими клітинами.
Мікроби G. sulfurreducens взаємодіють один з одним за допомогою крихітних білкових «проводів», які дослідники з Массачусетського університету в Амхерсті зібрали та використали для створення штучних нейронів. За словами дослідників, ці нейрони вперше здатні обробляти інформацію від живих клітин без проміжного пристрою, що посилює або модулює сигнали.
Хоча деякі штучні нейрони вже існують, їм потрібне електронне посилення для сприйняття сигналів, що виробляють наш організм, пояснює Цзюнь Яо, який займається біоелектронікою та наноелектронікою в Массачусетському університеті в Амхерсті. Посилення призводить до збільшення енергоспоживання та складності ланцюгів, що знижує ефективність роботи мозку.
Нейрон, створений командою Яо, здатний розпізнавати сигнали організму зі своєю природною амплітудою близько 0,1 вольта. Це «вкрай новаторський підхід», — каже Божі Тянь, біофізик, який вивчає живу біоелектроніку в університеті Чикаго і не брав участі в дослідженні. Ця робота «ліквідує давній розрив між електронними та біологічними сигналами» та демонструє взаємодію між штучними нейронами та живими клітинами, яку Тянь називає «безпрецедентною».
Реальні та штучні нейрони
Біологічні нейрони є фундаментальними будівельними блоками мозку. При досить сильному зовнішньому стимулі в нейроні накопичується заряд, викликаючи потенціал дії - стрибок напруги, що поширюється по тілу нейрона, забезпечуючи всі види функцій організму, включаючи емоції та рух.
Вчені десятиліттями працювали над створенням синтетичного нейрона, прагнучи ефективності людського мозку, яка досі, здавалося, вислизала від можливостей електроніки.
Група Яо розробила нові штучні нейрони, що імітують те, як біологічні нейрони сприймають та реагують на електричні сигнали. Вони використовують датчики для відстеження зовнішніх біохімічних змін і мемістори – по суті, резистори з пам'яттю – для імітації виникнення потенціалу дії.
У міру збільшення напруги, викликаного зовнішніми біохімічними подіями, іони накопичуються і починають формувати волокно, що пронизує проміжок у мемристорі, який в цьому випадку був заповнений білковими нанопроводами. При достатній напрузі волокно повністю перекриває проміжок. Струм проходить через пристрій, і волокно розчиняється, розсіюючи іони й припиняючи струм. Весь процес імітує потенціал дії нейрона.
Вчені протестували штучні нейрони, приєднавши їх до серцевої тканини. Пристрої вимірювали базову величину скорочення клітин, яка не забезпечувала достатнього сигналу активації штучного нейрона. Потім дослідники провели ще один вимір після введення в тканину норадреналіну – препарату, який збільшує частоту скорочень клітин. Штучні нейрони запускали потенціали дії лише під час медикаментозного дослідження, що доводить їхню здатність виявляти зміни у живих клітинах.
Результати експерименту було опубліковано 29 вересня у журналі Nature Communications.
Природні нанопроводи
Група завдячує своїм проривом G. sulfurreducens.
Мікроби синтезують мініатюрні кабелі, які називаються білковими нанопроводами, які вони використовують для внутрішньовидової комунікації. Ці кабелі є провідниками заряду, які тривалий час зберігаються у природі, не руйнуючись. (Нагадаємо, вони еволюціонували в канавах Оклахоми.) Вони є надзвичайно стабільними, навіть для виготовлення пристроїв, каже Яо.
Для інженерів найбільш примітною властивістю нанопроводів є ефективність переміщення по них іонів. Нанопроводи забезпечують низькоенергетичний спосіб передачі заряду між клітинами людини та штучними нейронами, що дозволяє уникнути необхідності в окремому підсилювачі або модуляторі. "І, що дивно, матеріал розроблений саме для цього", - говорить Яо.
Група розробила метод відокремлення кабелів від тіл бактерій, очищення матеріалу та його суспендування в розчині. Команда виклала суміш і дала воді випаруватися, залишивши плівку товщиною в одну молекулу, виготовлену з матеріалу білкового нанодроту.
Ця ефективність дозволяє штучному нейрону значно економити електроенергію. Група Яо інтегрувала плівку в мемристор в ядрі нейрона, знизивши енергетичний бар'єр для реакції, що змушує мемристор реагувати на сигнали датчика. Завдяки цьому нововведенню, за словами дослідників, штучний нейрон споживає в десять разів менше напруги та в сто разів менше енергії, ніж інші штучні нейрони.
Тянь вважає, що ця «надзвичайно виняткова» енергоефективність «необхідна для майбутніх малопотужних, імплантованих та біоінтегрованих обчислювальних систем».
За словами дослідників, переваги в енергоспоживання роблять цю конструкцію синтетичних нейронів привабливою для різних додатків.
За словами Тяня, ці нові штучні нейрони можуть бути використані в чутливій електроніці, що носиться, наприклад, в протезах, що адаптуються до стимулів тіла. Зрештою імплантовані системи, засновані на нейронах, зможуть «вчитися подібно до живих тканин, розвиваючи персоналізовану медицину та інтелектуальні технології», щоб «інтерпретувати фізіологічні стани, що призведе до створення біогібридних мереж, що поєднують електроніку з живим інтелектом».
Штучні нейрони можуть бути корисними й в електроніці за межами біомедичної сфери. Мільйони таких нейронів на чіпі могли б замінити транзистори, виконуючи ті самі завдання при зниженні енергоспоживання, говорить Яо. Процес виготовлення нейронів не потребує високих температур і використовує той самий тип фотолітографії, що й у виробництві кремнієвих чіпів, каже він.
Однак Яо вказує на два можливі вузькі місця, з якими можуть зіткнутися виробники при масштабуванні цих штучних нейронів для електроніки. Перше - це отримання більшої кількості білкових нанопроводів із G. sulfurreducens. В цей час його лабораторія працює три дні, щоб зробити всього 100 мікрограмів матеріалу - приблизно масу однієї крупинки кухонної солі. І такої кількості достатньо для створення лише дуже маленького пристрою, тому Яо займається питанням, як цей етап процесу можна масштабувати для виробництва.
Його також турбує, як досягти рівномірного покриття плівкою в масштабі кремнієвої пластини. «Якщо ви хочете створювати компактні пристрої високої густини, однорідність товщини плівки фактично є критично важливим параметром», — пояснює він. Але кількість штучних нейронів, розроблених його групою, поки що занадто мала щодо значних випробувань на однорідність.
Тянь не очікує, що штучні нейрони замінять кремнієві транзистори в традиційних обчислювальних системах, а натомість розглядає їх як паралельну пропозицію для «гібридних чіпів, що поєднують біологічну адаптивність з електронною точністю», — каже він.
У далекому майбутньому Яо сподівається, що такі біопохідні пристрої також цінуватимуться за те, що не сприяють утворенню електронних відходів. Коли пристрій користувачеві більше не потрібний, він може просто викинути біологічний компонент у навколишнє середовище, говорить Яо, оскільки це не становить екологічної небезпеки.
"Використовуючи цей вид природного мікробного матеріалу, ми можемо створити більш екологічну технологію, більш екологічну для світу", - говорить Яо.
