Новые достижения нейроэлектроники

 

В Падуанском университете группа биологов из Германии, Италии и Швейцарии совместно с компанией Infineon Technologies сконструировала микросхему со встроенными клетками мозга. «Нейрочип» NACHIP размером около миллиметра содержит более 16 тысяч транзисторов, к которым белками прикреплены отростки нейронов. «Органическая» система обменивается с кремниевой электрическими импульсами.

На сайте имеется много информации о разработке нейроэлектронного интерфейса учёными из Института Макса Планка в Германии во главе с Питером Фромгерцом (см. «Жизнь замечательных людей»). Имеется также перевод оригинальной статьи учёного здесь. Те экспериментальные результаты были достигнуты в 1991 и 1995 годах. Тогда нервные клетки пиявки располагали на поверхности транзисторов и пытались установить двусторонний контакт между клетками и электронными компонентами. Но эти чипы работали либо с очень ограниченным числом нейронов, либо с большим числом, но не с каждым по отдельности, а с группами. Теперь Фромгерц и группа его сотрудников объединились с учёными из других стран, чтобы значительно продвинуть исследования вперёд. Проект получил название NACHIP (смотрите также страницу проекта University Padova). Исследователи планомерно идут к удивительной цели – взаимодействию компьютера с набором живых клеток (индивидуально), с возможностью не только получать от них информацию, но и влиять на работу генов в этих клетках.

Основные авторы NACHIP: Петер Фромхерц (Peter Fromherz) из отдела мембран и нейрофизики института биохимии Макса Планка (Department of Membrane and Neurophysics), Стефано Вассанелли (Stefano Vassanelli) из отдела физиологии и анатомии человека University Padova (Dipartimento di Anatomia e Fisiologia Umana) и Николас Грифф (Nikolaus G. Greeff) из института физиологии университета Цюриха (University of Zurich, Institute of Physiology).

Создание первой комбинированной микросхемы является большим достижением, однако, по словам Вассанелли, проблем, подлежащих решению, немало. Одной из них является разработка щадящего метода стимуляции нейронов, применение которого не разрушало бы клетки.

В данный момент исследователи изучают способ избежать повреждения нейронов при стимуляции. Командой также рассматривается возможность использования специальных генетических команд нейронов, с помощью которых можно будет управлять нейрочипом.

Давайте рассмотрим работу учёных подробнее.

Специальный чип с поперечником всего в 1 миллиметр содержит 16 тысяч 384 транзистора и сотни конденсаторов. Когда на него высаживаются нервные клетки, транзисторы получают от них сигналы, а конденсаторы, под управлением транзисторов, посылают сигналы от электроники – нейронам.

С точки зрения физики, взаимодействие нейронов и схемы происходит благодаря перемещению ионов натрия через клеточную мембрану, что меняет локальный её заряд, на который реагирует транзистор. В свою очередь, управляемый электроникой заряд на конденсаторе влияет на ионный ток через мембрану, заставляя нейрон реагировать на "запрос" извне.

Использовав генную инженерию, исследователи (а работали они сначала с нейронами улитки, как с более крупными и простыми, а потом – с нейронами крыс, как с более сложными и меньшими по размеру) модифицировали нейроны животных, увеличив в их оболочках число ионных каналов и повысив их активность.

Сам чип также получил новшества: его покрыли белками, которые в мозге связывают нейроны вместе (своего рода клей) и также активируют ионные каналы в нейронах. В чипе были применены транзисторы с уменьшенным шумом, участки для возбуждения нейронов и соседние с ними транзисторы были сближены до нескольких микронов, чтобы можно было посылать импульс и получать отклик от одного единственного нейрона.

 

А теперь немного стратегического анализа. Посмотрим на достижения учёных не с технической точки зрения, а взглядом философским. Идейно эти работы продолжают линию исследований Питера Фромгерца и его сотрудников, однако обратите внимание, насколько шире и значительнее результаты данной работы. Что ещё более интересно, эти новые серии экспериментов объединяют учёных из разных стран, а такое никогда не произойдёт с незначительным исследованием. Объединение известных учёных из экономически развитых стран уже говорит о многом. И, наконец, абстрагируемся от выражений вроде «Homo Electronics» ждёт часа родиться, и обратимся к мысли, где описанные достижения применимы сегодня. Прочитав повнимательнее побольше статей, ответ появляется сам собой: нейроэлектронная система является отличным детектором различных ядовитых веществ. Ведь здесь решается проблема интерпретации результатов анализа, т. к. нейроны представляют собой и часть механизма и непосредственно объект воздействия (крысиные нейроны прекрасно сопоставимы по свойствам с нейронами человека). Лично моё заключение: спецслужбы приложат руку к подобным разработкам, если уже не являются спонсорами этого проекта.

   

Итальянский сайт University Padova.

Смотрите также страницу проекта University Padova