Напечатанные нейроны подключили к живым клеткам мозга
В Северо-Западном университете напечатали искусственные нейроны, которые не просто имитируют мозг — они могут с ним взаимодействовать. Разработка найдет применение в интерфейсах «мозг–компьютер» и нейропротезах, а также энергоэффективных системах искусственного интеллекта.
Новинку протестировали на срезах мышиной мозговой ткани. Результаты экспериментов опубликованы в журнале Nature Nanotechnology. Устройства успешно вызвали ответ у настоящих нейронов, продемонстрировав качественно новый уровень биосовместимости.
«Мир, в котором мы сегодня живем, принадлежит искусственному интеллекту. Чтобы сделать ИИ умнее, его обучают на все бóльших объемах данных. Это требует колоссальных расходов энергии. Поэтому нужно придумать более эффективное „железо“ для работы с большими данными и ИИ. Поскольку мозг энергетически эффективнее цифрового компьютера на пять порядков, вполне логично искать вдохновение для вычислительных систем нового поколения именно в нем», — объясняет Марк К. Херсам, руководивший исследованием.
Развитие традиционной вычислительной техники идет экстенсивным путем — за счет роста числа транзисторов на кристалле. Каждый транзистор ведет себя одинаково, и после изготовления процессоры, разумеется, остаются неизменными.
Мозг же работает совершенно иначе. Вместо унифицированных строительных блоков он состоит из разных типов нейронов, каждый из которых выполняет свою особую роль, и они организованы по областям. Мягкие трехмерные сети постоянно меняются, образуя и перестраивая связи по мере того, как человек учится и адаптируется.
«Кремний достигает сложности за счет миллиардов одинаковых устройств. Все в нем одинаковое, жесткое и неизменное после изготовления. Мозг — полная противоположность. Он гетерогенный, динамичный и трехмерный. Чтобы двигаться в этом направлении, нужны новые материалы и новые способы создания электроники», — говорит Херсам.
Недостаток, превращенный в преимущество
Для печати нейронов его команда разработала серию электронных чернил из наночешуек дисульфида молибдена MoS₂, работающего как полупроводник, и графена, служащего проводником. Этот состав нанесли на гибкие полимерные подложки методом аэрозольной струйной печати.
Стабилизирующий полимер в чернилах считался помехой, мешающей току, и после печати его обычно выжигали. Но Херсам воспользовался этим небольшим недостатком, чтобы добавить своему устройству мозгоподобной функциональности.
«Вместо полного удаления полимера мы его частично разлагаем. А затем, пропуская через устройство ток, доводим разложение до конца. Это разложение происходит пространственно неоднородно и приводит к формированию токопроводящей нити, так что весь ток оказывается запертым в узкой области пространства», — рассказывает исследователь.
Эта узкая область становится локальным каналом, который дает внезапный, похожий на нейронный электрический отклик. В итоге получился новый тип искусственного нейрона, способный генерировать широкий спектр электрических сигналов, подобных тем, которыми обмениваются живые нейроны.
Результаты испытаний
Проверка на образцах ткани мышиного мозга показала, что импульсы искусственных нейронов соответствуют основным биологическим параметрам — включая время нарастания и длительность пиков живых нейронов. Это надежно запускало активность в реальных нейронах, активируя нервные цепи почти так же, как естественные сигналы.
«Другие лаборатории пытались делать искусственные нейроны из органических материалов, но у них пики возникали слишком медленно. Или использовали оксиды металлов, которые работают слишком быстро. Наше устройство укладывается во временной диапазон, который ранее для искусственных нейронов не демонстрировался. Видно, как живые нейроны отвечают на наш искусственный нейрон. То есть мы получили сигналы не только с правильной длительностью, но и с правильной формой пика, чтобы напрямую взаимодействовать с живыми нейронами», — доволен Херсам.
Процесс изготовления нейрона прост и недорог. Поскольку процесс печати подразумевает нанесение материала только там, где это необходимо, — он также сокращает количество отходов.
