Внимание! Предоставляется сокращённый перевод оригинальной научной статьи, доступной на сайте Института биохимии Макса Планка http://www.biochem.mpg.de/mnphys/. У автора имеется полный перевод, занимающий более 30 страниц. По всем вопросам обращайтесь на форум или по электронной почте.

Нейроэлектронный интерфейс:

Полупроводниковые чипы с ионными каналами, нервные клетки и мозг

Группа исследователей из отдела биохимических исследований Института им. Макса Планка (Германия) разработала чип, который может стимулировать и отображать состояние отдельных нейронов нервной ткани. Ниже мы расскажем о том, как работает этот нейрочип и как удалось создать такое устройство.

Ученые использовали нейрочипы для того, чтобы изучить реакцию нейронов мозга крысы, отдельных участков мозга грызунов и некоторых других нервных клеток. Пока еще разработанная технология нейрочипов не может использоваться в массовом применении — созданы только прототипы. Однако при ее дальнейшем развитии станут возможны двусторонние интерфейсы «мозг-компьютер» для мониторинга состояния нервных тканей, а также управления ими.

Пару слов о том, зачем встает вопрос о создании подобных интерфейсов. Как сегодня работает пользователь персонального компьютера? Ему необходимо общаться с машиной с помощью клавиатуры, вручную (используя разные стилосы), отдавая голосовые команды, контролируя выполение команд, глядя на монитор. А если убрать промежуточную ступень этого общения (см. рис. 1)? То есть было бы, наверное, хорошо получать необходимое изображение прямо в мозг (минуя цепь «монитор-сетчатка-глазной нерв») и обмениваться с компьютером мысленно (минуя цепь «мозг-периферическая нервная система-руки-клавиатура»). Подобный интерфейс может дать поистине безграничные возможности в обработке человеком информации, начиная виртуальной реальностью, заканчивая постоянной мобильной коммуникацией с нервной системой других пользователей. Фантазировать дальше не буду. По-моему, и так все ясно.

Рис. 1. Развитие интерфейса «человек-компьютер»

И компьютер и мозг, оба работают, использую электрические сигналы. При этом переносчики зарядов в них различны – электроны в прочной ионной решётке для компьютера и ионы в жидкости для нервной ткани. Электроны в кремнии обладают подвижностью приблизительно 10³ см²/В×с, в то время, как подвижность ионов в воде около 10^-3 см²/В×с. Такая огромная разница в подвижности в корне отличает структуру двух этих информационных процессоров. И это же различие делает очень трудной задачу «прямого» соединения двух вычислительных систем для упрощения их взаимной работы.

С 1985 года исследователи начали оценивать реальные возможности создания имплантантов, которые обеспечивали бы прямой двусторонний интерфейс между человеческой нервной тканью и кремниевой электроникой. И в первую очередь встал вопрос о том, как соединить между собой две эти системы: жидкостную и кристаллическую. Другими словами, как сделать работоспособное кремниево-нейронное соединение?

Первые экспериментальные результаты в этой области были сделаны в 1991 и 1995 годах. Тогда нервные клетки пиявки располагали на поверхности транзисторов и пытались установить двусторонний контакт между клетками и электронными компонентами. После этих предварительных исследований проблема разветвилась на две:

1. определение природы электрических свойств контакта «клетка-полупроводник» в зависимости от его структуры;

2. соединение нескольких нервных клеток в нейронную сеть с помощью полупроводниковых микроэлектронных схем, контакты которых не проникают внутрь клетки, а взаимодействуют с ее мембраной.

Решение этих проблем и создание гибридных нейросетей позволит детально исследовать такие сложные динамические процессы головного мозга, как память и обучение.

Создание интерфейса нейрон-полупроводник

В принципе, проблема создания проводящего двустороннего интерфейса между нейроном и полупроводником может быть решена с использованием принципа электрической поляризации диэлектриков. Если соединить нейрон и полупроводник таким образом, что непроводящая липидная мембрана будет находиться в прямом контакте с изолирующим слоем диоксида кремния, расположенном на поверхности p-n перехода (см. рис. 2 a, b), то можно получить желаемый двусторонний интерфейс.

Рис. 2. Ионно-электронный интерфейс

Опишем, как происходит процесс переноса сигнала. Благодаря активности нервной клетки на слой диэлектриков действует слабое электрическое поле, которое их поляризует (рис. 2, a). Прямая поляризация определяет перенос зарядов транзистора, расположенного под слоем диоксида кремния, в направлении исток-сток. С этого и начинается взаимодействие чипа и нейрона. Обратная связь достигается тем же эффектом поляризации: электрическое поле, генерируемое транзистором, поляризует мембрану нейрона, что заставляет открываться и закрываться ионные каналы (рис. 2, b, закрытый и открытый каналы обозначены желтым), управляемые чувствительными к электрическому полю белками.

Еще раньше, в 1999 году, исследователи из Института им. Макса Планка попытались создать подобный чип, расположив на поверхности матрицы транзисторов отдельный нейрон крысы (см. рис. 3). Нервная клетка диаметром около 20 микрон и с толщиной липидной двуслойной мембраны в 5 нанометров была помещена на матрицу транзисторов, покрытых слоем диоксида кремния. Поверхность диоксида кремния оказалась чрезвычайно биосовместимой с живой клеткой. Весь чип находился в растворе электролита. Нейрон культивировался на поверхности чипа in vitro в течение трех дней.

Рис. 3. Микрофотография нейрона на матрице транзисторов

На микрофотографии видна структура транзисторной матрицы (зеленым) и расположение нейрона (синим). При росте нейрона на подобной поверхности присоединение к ней мембраны обеспечивали межмолекулярные белки-интегрины, а также белки, взаимодействующие с внеклеточным матриксом. Однако эти же белки отдалили мембрану от поверхности на расстояние, соответствующее их размеру. Поэтому исследователи использовали электролит, который заполнил пространство между мембраной и чипом. Процесс электрического взаимодействия между чипом и клеткой несколько изменился (см. рис. 2, c, d). Протекание тока через мембрану нейрона привело к появлению переносного внеклеточного потенциала в слое электролита, который поляризует слой оксида, позволяя нейрону взаимодействовать с p-n переходом (рис. 2 c). И наоборот, этот же потенциал приводит к поляризации мембраны клетки, когда напряжение подается на транзистор (рис. 2, d).

Рис. 4. Эквивалентная электрическая схема нейросоединения: a - для цепи переменного тока, b - для цепи постоянного.

Для дальнейшего изучения свойств динамики передачи электрических сигналов от чипа к нейрону и наоборот исследователи построили эквивалентную электрическую схему полученной структуры (см. рис. 4). И математически испытали новый чип на воздействие как переменного, так и постоянного сигнала. Сравнив сигналы (см. рис. 5), полученные в результате моделирования с сигналами реальными, они утвердились в мысли, что ими выбрана одна из оптимальных моделей нейроинтерфейса.

Рис. 5. Протокол двустороннего прохождения импульса через нейрочип

Внутриклеточный потенциал V_m и соответствующий ему ток I_m, походящий через клеточную мембрану, вызвал ответное изменение внеклеточного потенциала V_j, который был повторен транзистором. Запись происходила около 30 раз, подтверждая работоспособность устройства. Ряд проблем с корректным отображением электрических процессов, происходящих в нейроне, все же остался. Это, в первую очередь, проблема неоднородной проводимости участка, заполненного электролитом, вызванная неплотным прилеганием поверхностных белков клетки. Но, разумеется, можно считать, что первая проблема успешно решена.

Нейроэлектронные цепи

Описанный выше интерфейс является основой любых гибридных нейроэлектронных цепей. Для успешного построения гибридных цепей, работающих с несколькими нейронами, необходимо создать чип, который будет управлять передачей информации между ними. Для этого ученые создали гибридное электронное устройство, связывающее два нейрона между собой и позволяющее им обмениваться информацией. Эквивалентные схемы такого устройства и его вид приведены ниже на рис. 6. Размер полученного нейрочипа достаточно велик — около 300 микрон. Диаметр одного нейрона — 60 микрон.

Принцип действия чипа следующий. Сначала сигнал от нейрона А детектируется транзистором и усиливается. Далее, после формирования ряда импульсов (триггер Шмитта-мультивибратор) и внесения в сигнал задержки, серия поступает на вход модулятора сигнала для транзистора, работающего с нейроном B. Такая развязка необходима для ускорения передачи сигнала, так как электрические процессы, происходящие в нейронах, медленно изменяются во времени. На демодуляторе нейрона B происходит обратная операция: сигнал «разворачивается» до естественного нейронного. Специальный емкостной стимулятор формирует в точности такой сигнал, на который реагирует нейрон в природе.

Рис. 6. Схема работы двух нейронов через электронный интерфейс.

D - сток; S - исток; G - затвор (нейрон A); СSt - емкостной стимулятор нейрона B.

Рис. 7. Протокол передачи данных

На рис. 7 можно видеть временные диаграммы работы нейрочипа. Нейрон А проявляет спонтанную активность, которая передается через электронную цепь другому нейрону. Потенциалы мембран нейронов измерялись с помощью микропипеток. Видно, как по электронному сигналу стимуляции с помощью емкостного стимулятора формируется сигнал второго нейрона. Это уникальное устройство «нейрон-чип-нейрон» еще раз доказывает, что нейронами можно управлять с помощью микроэлектроники. И передача данных по такому интерфейсу будет гораздо быстрее, чем по обычной нервной ткани.

В дальнейших работах исследователи сосредоточились на более сложных интерфейсах. Таких, например, как «чип-нейрон-нейрон-чип». Изучение процессов, происходящих в естественных нейронных сетях, поможет разобраться в работе механизмов памяти и обучения. А также пролить свет на так называемые «нейрокоды» — набор сигналов, с помощью которых происходит обмен информацией в нервных тканях. Для этого был создан чип, содержащий на своей поверхности ряд нейронов, синаптически связанных между собой в сеть.

Рис. 8. Сеть нейронов и протокол передачи данных

На кремниевую подложку, содержащую ряд транзисторов-приемников, описанных выше, была нанесена культура нейронов. Причем отдельные нейроны иммобилизировались в «загоне» из столбиков кремния. Пластина была шероховатой, так как на шероховатостях нейроны лучше росли. Через два дня роста культура нейронов соединилась между собой в синаптическую сеть (чуть не написал локальную ;) , хотя это тоже было бы правильно). Были выбраны два нейрона, к которым присоединили искусственные синапсы, работающие по тому же поляризационному принципу. Эти синапсы можно видеть на микрофотографии (рис. 8, b) в виде двух темных овалов, расположенных возле нейронных иммобилайзеров. Воздействовав при помощи стимулятора (рис. 8 b) серией импульсов на один из нейронов (рис. 8, а), с нейрона 2 получили картину, изображенную на рис. 8, c, d. Как видим, три первых попытки активировать нейрон были неудачны, и только четвертый сигнал был воспринят им, да и то с задержкой, вызванной передачей по синаптической сети. Сейчас исследователи работают над различными культурами нейронных сетей, для того чтобы составить их математическую модель, с помощью которой прояснится вопрос о работе нескольких нейронов совместно с микроэлектронными устройствами.

Заключение

Три года назад не было речи о том, чтобы сконструировать что-то сложнее системы нейрон-транзистор. Сейчас созданы отдельные нейронные цепи, управляемые микроэлектроникой. Но, как говорят исследователи, нейроэлектроника только начинается. Исследователи надеются создать электронные матрицы, на которых нейронные сети смогут расти и развиваться, изменяя свою структуру по сигналам, поступающим от микроэлектронных устройств. Как утверждает один из исследователей, Берт Мюллер: «Интеграция живых нейросетей в современную CMOS-микроэлектронику будет прорывом как в биоэлектронике, так и в человеческой жизни вообще».