Це досягнення закриває давній розрив між електронними схемами та біологічними системами, дозволяючи пристроям взаємодіяти з живими клітинами, використовуючи ту саму електричну мову.
Дослідження опубліковано у журналі Nature Communications.
Штучні нейрони у лабораторії
У лабораторній схемі штучний нейрон генерував електричні імпульси близько 0,1 вольта, що точно відповідають сигналам, що використовуються природними нейронами.
Спостерігаючи за цими сигналами, Джун Яо та його колеги з Массачусетського університету в Амхерсті (UMass Amherst) продемонстрували, що пристрій відтворює рівні напруги, часові характеристики та енергоспоживання, типові для біологічних нейронів.
Більш ранні штучні нейрони могли імітувати деякі нейронні процеси, але покладалися на набагато сильніші електричні сигнали, які перешкоджали прямій взаємодії з живими клітинами.
Робота в тих же електричних межах, що і біологічні нейрони, усуває цей бар'єр і відкриває можливість створення схем, які можуть взаємодіяти безпосередньо з клітинною активністю.
Чому напруга мала значення
Живі нейрони зазвичай генерують імпульси з напругою приблизно від 70 до 130 мілівольтів, тоді як багатьом штучним версіям потрібно 0,5 вольтів або більше.
"Попередні версії штучних нейронів споживали в 10 разів більше напруги й в 100 разів більше енергії, ніж створений нами нейрон", - сказав Яо.
Цей розрив призводить до втрат енергії та ускладнює прямий контакт, оскільки сильніші сигнали можуть пригнічувати тонку клітинну активність, а не відповідати їй.
Зменшивши напругу, новий нейрон подолав головний бар'єр, який робив створення біоінспірованих пристроїв переважно теоретичним.
Бактерії складають ядро
У центрі знаходиться мемристор - крихітний компонент, опір якого змінюється залежно від струму, налаштований за допомогою бактерійних білкових нанопроводів для роботи на рівнях біологічної напруги.
Ці нанопроводи були отримані від Geobacter sulfurreducens, мікроба, вже відомого тим, що переміщує електрони за межі своїх клітин.
В ході багаторазових випробувань перемикач спрацьовував при напрузі близько 60 мілівольтів і 1,7 наноампера, а потім скидався замість того, щоб залишатися заблокованим.
Така поведінка, що самовідновлюється, дозволила команді імітувати підйом і спад реального нейронного імпульсу.
Схеми навчилися стримувати себе
Як тільки мемристор включався, конденсатор швидко заряджався і подавав на вихід короткочасний стрибок напруги.
У міру накопичення заряду схема примусово вимикала перемикач і створювала рефрактерний період - коротке скидання перед наступним стрибком.
Завдяки цій паузі кожен імпульс повертався до значення, близького до нуля, замість зливатися в один довгий сигнал.
Потім вихідний сигнал міг запускати інший штучний нейрон, що наближає конструкцію до придатних для використання мереж, ніж ранні одноразові пристрої.
Хімія змінила процес активації
Хімічні сигнали також змінювали роботу пристрою за допомогою нейромодуляції – хімічної настройки, яка змінює легкість активації клітин.
Коли рівень натрію підвищувався, один із датчиків прискорював етап скидання схеми й штучний нейрон активувався частіше.
У випадку дофаміну графеновий датчик викликав двосторонню відповідь, збільшуючи активність при одних дозах і знижуючи її при інших.
Це мало значення, тому що живий мозок залежить від хімічного контексту, а не лише від необроблених електричних імпульсів для передачі інформації.
Живі клітини та штучні нейрони
Щоб перевірити роботу живого партнера, команда поєднала схему з кардіоміоцитами – клітинами серцевого м'яза, які скорочуються під дією електричних сигналів.
Тканина, що росте, обволікала м'яку сітку з графенових сенсорів, які вловлювали електричні імпульси й скорочення кожної клітини.
Нормальна активність клітин серця залишала штучний нейрон недієвим, але препарат, який прискорює їх ритм, викликав електричні імпульси у схемі.
Цей результат не довів зв'язок із людським мозком, але він довів можливість спілкування у реальному часі з живими клітинами.
Носимі пристрої позбавляються посередників
Сучасні датчики, що носяться, часто посилюють слабкі сигнали від тіла до того, як програмне забезпечення зможе їх зчитати, що призводить до енерговитрат і збільшення кількості апаратних компонентів.
"Цей проміжний етап посилення збільшує як енергоспоживання, так і складність схеми, але датчики, створені на основі наших низьковольтних нейронів, можуть обійтися без посилення взагалі", - сказав Яо.
У статті це підтверджується тим, що нейрон може обробляти реальні сигнали, отримані безпосередньо від нейронів.
Якщо апаратне забезпечення для датчиків покращиться достатньо, майбутні пластирі або імплантати можуть поменшати, менше нагріватися і їх буде простіше живити.
Ефективність без зайвого обсягу
У пізніших версіях були видалені зайві сенсорні компоненти, при цьому збереглася та ж енергія імпульсів, що зробило конструкцію менш громіздкою.
У цій простішій формі хімічна обробка споживала як мінімум у 100 разів менше енергії, ніж ранні хімічні штучні нейрони.
Стандартні технології виготовлення, сумісні із кремнієм, також мають допомогти, оскільки вся схема може бути побудована з використанням процесів, які вже використовують виробники мікросхем.
Проте прототип на лабораторному стенді ще не є медичним пристроєм чи готовою комп'ютерною архітектурою.
Інший шлях розвитку обчислювальної техніки
Що виділяє цю роботу, то це не якийсь ефектний трюк, а тісна відповідність між електронною та біологічною поведінкою.
Більш ранні пристрої часто копіювали лише приблизну форму імпульсу, в той час, як цей пристрій також відповідав напрузі, енергії, часу та хімічним процесам.
Ця ширша відповідність дає інженерам чистішу основу для машин, які сприймають сигнали, приймають рішення та реагують поблизу тіла.
Попереду ще багато випробувань, особливо зі справжніми нейронами та забезпеченням довготривалої стабільності, перш ніж будь-хто зможе обіцяти імплантати або зв'язок з мозком.
Наступні кроки для штучних нейронів
Використовуючи сигнали, що вже застосовуються живими клітинами, штучний нейрон поєднав ефективність та сумісність в одній історії.
Подальший прогрес залежатиме від більш досконалих датчиків, більш тривалих випробувань та доказів на нервовій тканині, але зараз межа виглядає менш жорсткою.
