Устройства могут понадобиться медикам при диагностике различных расстройств, а в будущем стать основой для биокомпьютеров
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.
Нервный импульс – это изменение электрохимического потенциала клетки. Его обеспечивает движение заряженных частиц по ионным каналам. В частности, это движение может быть вынужденным – если создать разность потенциалов искусственно. Это и происходит, когда электрический прибор через «белковый мост» передает заряды клетке. Клетка в свою очередь может генерировать ток в электрической цепи, куда входят транзисторы. Таков принцип работы новой микросхемы.
«Исследователи работали они сначала с нейронами улитки как более крупными и простыми, а потом с нейронами крыс как более сложными и меньшими по размеру»
Использовав генную инженерию, исследователи (а работали они сначала с нейронами улитки как более крупными и простыми, а потом с нейронами крыс как более сложными и меньшими по размеру) модифицировали нейроны животных, увеличив в их оболочках число ионных каналов и повысив их активность.
По словам члена команды проекта Стефано Вассанелли, на данном этапе чип не способен решать сложные задачи, однако может быть использован для тестирования лекарств, воздействующих на нервные ткани. Кроме того, похожие устройства могут понадобиться медикам при диагностике нервных расстройств, а в будущем стать основой полноценных биокомпьютеров.
Возможно, потребуются десятилетия, чтобы достичь такого уровня в технологии, которого хватит для лечения мозговых расстройств или создания «живых» компьютеров. Но в ближайшее время данное достижение поможет фармацевтическим компаниям испытывать их новые разработки: с помощью нейрочипа можно будет отследить действия препаратов на нейроны и быстро обнаружить, по какому пути следует двигать исследования далее.
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.
Как известно, еще с 1985 года исследователи начали оценивать реальные возможности создания имплантатов, 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 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 же благодаря последнему открытию микробиологов стало реальным взаимодействие компьютера с набором живых клеток (индивидуально) с возможностью не только получать от них информацию, но и влиять на работу генов в этих клетках. Самое примечательное в проекте NACHIP то, что отличает его от предшествующих работ, – «двусторонний подход» для решения проблемы тесного и эффективного взаимодействия живых нейронов и электроники.
Вероятнее всего, после опытов с нейронами животных экспериментаторы намерены перейти и к опытам с человеческими нейронами. Да и задача совмещения миниатюрной электроники с нервными клетками в организме (а не на лабораторном столе) уже в том или ином виде решена.