Американські інженери з Массачусетського університету (UMass) в Амхерсті створили штучний нейрон, в усьому подібний до справжнього. 

Цей штучний нейрон не просто імітує поведінку справжніх, а й відповідає їм за розмірами, енергоспоживанням, силою сигналів та часом реакції на хімічні збудники. Нейрони — це дивовижні біологічні пристрої, що забезпечують такі складні процеси, як мислення, емоції та рух, за допомогою спеціалізованої комунікації великими мережами з використанням електричних та хімічних сигналів. 

Штучний нейрон був створений на основі мемристора — запам’ятовувального резистора, створеного з використанням білкових нанодротів, отриманих з мікроба Geobacter sulfurreducens. Ця бактерія утворює провідні нанорозмірні дроти, які після інтеграції у мемристор значно знижують напругу, необхідну для перемикання. Це дозволяє мемристору працювати за напруги близько 60 мВ та за малого струму, близько 1,7 нА, що близько до реальних нейронів. 

Дослідники інтегрували мемристор у простий резистивно-конденсаторний ланцюг, щоб відтворити різні фази електричної активності нейрона. Таким чином мемристор проходив етапи інтеграції заряду: повільного наростання перед активацією нейрона, швидкої деполяризації, раптового імпульсу при активації нейрона та реполяризації — повернення у стан спокою та підготовки до наступного імпульсу.

Конструкція також дозволяла системі вмикати рефрактерний період — коротку паузу після активації, як у справжнього нейрона. Після цього дослідники додали хімічні датчики, здатні виявляти іони, зокрема, натрій, та нейротрансмітери, такі як дофамін. Датчики у відповідь змінювали електричні властивості ланцюга, імітуючи те, як реальні нейрони коректують власну поведінку, залежно від хімічних сигналів з навколишнього середовища — процес, відомий як нейромодуляція. 

Після цього штучний нейрон під’єднали до реальних клітин людського серця — кардіоміоцитів, які скорочуються. Дослідники також продемонстрували, як штучний нейрон розпізнає біологічні сигнали в режимі реального часу, наприклад, виявляючи зміни активності кардіоміоцитів у відповідь на норадреналін.

Наразі прототип перебуває на ранній стадії розробки, а експерименти проводились у контрольованих лабораторних умовах. Система поки не готова до роботи в реальних умовах живого організму. Однак розробка може стати основною для технологій майбутніх пристроїв, які поєднуватимуть електроніку та біологію.

Ці нейрони одного разу зможуть допомогти відновити або замінити пошкоджені нейронні ланцюги мозку, покращити нейрокомп’ютерні інтерфейси або служити датчиками, які відстежують стан клітин та реакцію на ліки в режимі реального часу. Оскільки вони споживають дуже мало енергії та працюють на рівні біологічних сигналів, такі штучні нейрони можуть призвести до створення набагато ефективнішого обчислювального обладнання, що відповідає принципам роботи мозку.

Результати дослідження опубліковані у журналі Nature Communications

Джерело: New Atlas