Цей штучний нейрон використовує дофамін для зв’язку з клітинами мозку

Напівпрозорий чіп, прикріплений до ніжки миші, зовсім не був схожий на нейрон. Усіяний низкою датчиків і каналів і менший за людський палець, він виглядав — і зігнутий — як пластир. Проте коли чіп облили дофаміном, він спрацював. Ніжка мишки почала сіпатися і витягуватися. Залежно від дози дофаміну чіп керував кінцівкою, як маріонетка.

Чіп — це штучний нейрон, але не схожий на попередні чіпи, створені для імітації електричних сигналів мозку. Швидше, він приймає та адаптує інший канал зв’язку мозку: хімічні речовини.

Ці хімічні речовини, які називаються нейромедіаторами, є «природною мовою» мозку. сказав Доктор Бенхуей Ху з Нанкінського медичного університету в Китаї. Штучний нейрон, який використовує хімічну мову, теоретично міг би легко підключитися до нейронних ланцюгів — наприклад, щоб керувати ніжкою миші, або побудувати абсолютно нову сімейство протезів або нейронних імплантатів, керованих мозком.

Нове дослідження на чолі з Ху та доктором Сяодун Ченом з Наньянського технологічного університету, Сінгапур, зробили тривалий крок до безпроблемного з’єднання штучних і біологічних нейронів у напівживу схему. На основі допамін, налаштування не було простим одностороннім викликом, коли один компонент активував інший. Навпаки, штучний нейрон утворив петлю з кількома біологічними аналогами, випромінюючи дофамін, отримуючи зворотний зв’язок, щоб змінити свою поведінку.

У певному сенсі система діє як інтернейрон, який слугує для прийняття рішень у мозку для точного налаштування нейронних ланцюгів. «Велика частина інтелектуальної інформації, включно з пам’яттю та емоціями, закодована або передається хімічними молекулами, такими як нейромедіатори, і ми хотіли створити штучний нейрон, який імітує те, як спілкується справжній нейрон», — сказали автори.

Інша сторона історії

Ви чули цю класичну історію про нейронні мережі. Нейрон отримує електричний струм, який рухається вниз по його звивистим гілкам. Якщо сигнал достатньо сильний, він активує або пригнічує наступний нейрон, об’єднуючи їх у мережу. Ця нейронаукова догма, популяризована як «нейрони, які працюють разом, з’єднуються разом», є основою багатьох нейроморфні чіпи створений для зворотного проектування цієї електричної примхи для низькоенергетичних і високоефективних обчислень.

Дані або «пам’ять» цих дій зберігаються в синапси. Мені подобається уявляти ці складні споруди як два береги річки, між якими протікає струмок. Один берег є частиною нейрона, що посилає сигнали, інший - частиною приймаючого нейрона.

Але що допомагає сигналам перетинати потік?

Введіть нейромедіатори. Як тільки нейрон інтегрує свої електричні сигнали, імпульси рухаються вниз по гілках, поки не досягнуть синапсу. Тут сигнали наказують десяткам припаркованих «човнів» — малюнків маленьких мильних бульбашок — кожен із яких наповнений нейромедіаторами, пливти до іншого берега. Після пристикування хімічні речовини вивантажуються з човнів, щоб викликати інший електричний сигнал у наступному нейроні. І цей цикл продовжує з’єднувати складні мережі мозку.

Хімічні обчислення часто ігноруються при створенні нейронних імплантатів, але зосередження виключно на електричних сигналах — це все одно, що ігнорування трансокеанських вантажних маршрутів при плануванні морських маршрутів.

«Ця невідповідність потенційно може призвести до неправильної інтерпретації переданої нейронної інформації», — сказала команда, потенційно вводячи в оману мозкові інтерфейси.

Витвір мистецтва

Нове дослідження знову впровадило хімічне мислення в штучні нейрони. Перебираючи цілу низку потенційних кандидатів на нейромедіатори, команда відточила дофамін — багатозадачний засіб, який керує мотивацією, кодує винагороду та контролює рухи — як зірка штучного нейрона.

Чіп містить три основні компоненти, які імітують справжній нейрон: він відчуває дофамін, кодує отриманий сигнал у «синапсі» та вивільняє дофамін своєму сусідові.

Перша частина – це електрохімічний датчик, який може виявляти дофамін на біологічному рівні. Виготовлена ​​з вуглецевих нанотрубок із додаванням дози оксиду графену, ця наноструктура особливо ефективно вловлює крихітні шматочки дофаміну в навколишньому середовищі, навіть коли інші біологічні хімікати каламутять воду.

Після виявлення дані передаються до наступного компонента — мемристора — у вигляді електричного імпульсу. Як і синапс, мемристор має вбудовану здатність змінювати свій опір залежно від попередньої діяльності, тобто він має «пам’ять». Чим вищий опір, тим менше він може посилати електричні сигнали.

Пристрій може здатися екзотичним, але уявіть (дуже дорогий) бутерброд із сиром. Два шматочки хліба зроблені з наночастинок срібла та золота, а «сир» — це білок шовку, який регулює опір мемристора. Це акуратне налаштування: компонент може підтримувати як короткострокові, так і довгострокові зміни в «синапсі», імітуючи спогади, які швидко вислизають з вашої пам’яті, або ті, що закарбувалися в мозку.

Це ознака навчання. «Це означає, що система сформувала сильніший зв’язок із повторюваними подразниками і буде більш чутливою до знайомих подразників порівняно зі свіжими», — сказали автори.

Потім настає справді крута частина. Залежно від свого опору мемристор може нагрівати гідрогель, щоб він вивільняв дофамін у попередньо витравлені наноканали.

Зібравши все разом, чіп діє як біологічний нейрон. При стимуляції дофаміном він генерує електричний сигнал, закодований у «синапсі». Якщо сигнал достатньо сильний, він буде викачувати дофамін на своїх сусідів.

Що залишилось робити? Перевірте це на живих нейронах.

Біогібридний міст

Для першої перевірки здорового глузду команда помістила чіп у чашку Петрі з клітинами, здатними вивільняти дофамін, який отримав назву PC12.

Імітуючи активацію нейронів, вони вводили солону суміш, яка спонукала клітини вивільняти дофамін. Наляканий «прокинувшись» від раптового припливу, штучний нейрон активізувався, у свою чергу викачуючи власну дозу дофаміну своїм сусідам PC12. Після того як біологічні клітини наповнилися дофаміном, у відповідь змінили свій електричний струм (не тим розумніше, що хімічна речовина походить від штучного нейрона).

Цей тип нейронного спілкування схожий на інтернейрони. Як випливає з їх назви, ці нейрони діють як сходинки на сходах, підключаючи нейронні мережі та допомагаючи покращити роботу ланцюгів. Тут штучний нейрон поводився як інтернейрон — свого роду «контролер трафіку», який формує нейронні мережі та підтримує їхню активність.

Пішовши далі, команда прив’язала чіп до нерва в ніжці миші. Залежно від рівня дофаміну нога згиналася, наче під час ранкової розтяжки, поширюючись ширше, коли хімікат збільшувався на чіпі. В іншому доказі концепції команда підключила чіп до роботизованої руки. Збільшуючи кількість дофаміну на чіпі, команда могла керувати роботом за допомогою хімічно викликаного «рукостискання» — мерехтіння механічного зап’ястка вниз, що живиться виключно дофаміном.

Це не перший випадок, коли вчені створили нейрон на хімічній основі. Повернутися в 2020, команда зі Стенфорда зв’язала штучний нейрон із ізольованими біологічними, показавши, що штучний нейрон може гібридизуватися з біологічним, використовуючи дофамін як тригер.

Різниця тут у здатності до зворотного зв’язку: нова установка утворює петлю з нейронами, здатними отримувати та вивільняти дофамін, при цьому змінюючи «пам’ять» мережі. На даний момент штучний нейрон діє більше як «міст повідомлень», здатний передавати інформацію. Установка все ще занадто громіздка для мозкових імплантатів, хоча автори працюють над тим, щоб зменшити кожен компонент і зменшити споживання енергії.

На думку авторів, хімічні та електричні нейроморфні чіпи не є ні тим, ні іншим. Зрештою, мозок теж не є.

«Такі хімічні ІМТ [інтерфейси мозок-машина] може доповнювати електричний ІМТ, потенційно дозволяючи правильно та всебічно інтерпретувати нейронну інформацію для використання в нейропротезуванні, взаємодії людини з машиною та будівництві кіборгів», — сказали автори.

Зображення Фото: ktsdesign / Shutterstock.com