Нервный импульс через Интернет

Группа ученых под руководством Алексантру Серба (Alexantrou Serb) из Саутгемптонского университета создала нейронную цепь, в которой нервный импульс передается через Интернет. В цепи присутствует три нейрона, два из которых искусственные (кремниевые), а один – живой, биологический. Нервный импульс передается последовательно с искусственного нейрона на живой и снова на искусственный. О том, каким образом удалось осуществить такую схему и как это можно использовать в медицине, читайте в журнале Scientific Reports

Схемы устройства


Итак, для того, чтобы построить такую нейронную сеть, понадобилось несколько элементов: два искусственных нейрона, живой нейрон, два микроэлектрода и два мемристора. Но обо всем по порядку.

Искусственный (кремниевый) нейрон представляет собой интегральную систему, состоящую из миллионов транзисторов. Это устройство может генерировать электрические импульсы, которые затем передаются на мемристор. Данный нейрон использовался в качестве водителя ритма.

Мемристор (от англ. memory – память, и англ. resistor – электрическое сопротивление) – это электронный элемент, способный изменять свое сопротивление в зависимости от протекающего через него заряда. Такое устройство необходимо использовать, потому что оно помогает имитировать такое свойство биологического синапса, как долговременная потенциация (long-term potentiation), суть которого заключается в усилении синаптической передачи между двумя нейронами при длительном воздействии. Простыми словами, чем дольше работает синапс, тем больше электрический заряд, а мемристор способен адаптироваться под изменение этого заряда.

Далее импульс посредством микроэлектрода передавался на нейрон гиппокампа мыши, выделенный в культуру. Напряжение, передаваемое на клетку, было идентично возбуждающим постсинаптическим потенциалам (ВПСП), которые возникают при передаче нервного импульса в живой системе (о том, что такое потенциал действия и чем он отличается от потенциала покоя, вы можете узнать из наших статей).

Гибридный синапс, состоящий из живого и искусственного нейрона назвали синаптором.

В обратном направлении, а именно – от живого нейрона к искусственному, также возможна передача импульса, для этого существует вторая система, или второй синаптор. Импульсы с живого нейрона регистрировали с помощью метода локальной фиксации потенциала (patch-clamp), а далее по микроэлектроду импульсы поступали на второй мемристор и далее на второй искусственный нейрон, который работал в режиме спонтанной разрядки – спонтанно выдавал импульсы без заданной частоты, а биологическая клетка влияла на его активность.

Таким образом, получилась схема, которая способна передавать нервный импульс с искусственного нейрона на живой, а с него – снова на искусственный, и все это через Интернет! Кремниевые нейроны при этом находились в Цюрихе, мемристоры – в Саутгемптоне, а культура мышиных нейронов – в Падуе, Италия. Для осуществления этого использовался протокол UDP.

Данная схема представляет собой модель глутаматергических синапсов гиппокампа. Важным моментом является то, что в ответ на высокочастотную импульсацию, поступающую с первого нейрона, живая клетка повышала свою активность и сохраняла ее даже при дальнейшем снижении частоты раздражения. Это приводило также к усилению спонтанной активности третьего элемента цепи. Уменьшение же импульсации водителя ритма приводило к развитию долговременной депрессии и снижению активности второго и третьего нейронов системы.

Это свойство системы дает возможность использовать ее (после соответствующих модификаций) например для терапии сердечной аритмии, гипертонии, повреждений спинного мозга и болезни Паркинсона.


Текст: Мария Гоглова

Memristive synapses connect brain and silicon spiking neurons by Alexantrou Serb, Andrea Corna, Richard George, Ali Khiat, Federico Rocchi, Marco Reato, Marta Maschietto, Christian Mayr, Giacomo Indiveri, Stefano Vassanelli & Themistoklis Prodromakis in Scientific Reports volume 10, Article number: 2590 (2020). Published February 2020.

https://doi.org/10.1038/s41598-020-58831-9

«Молодой» Альцгеймер не поддался глубокой стимуляции мозга

Исследователи выяснили, что люди с ранней стадией болезни Альцгеймера (в возрасте до 65 лет) не получают улучшений от глубокой стимуляции мозга – терапии, которая показала…

«Нейроинтерфейс Илона Маска» показали на презентации

Сегодня рано утром по Москве Илон Маск провел презентацию интерфейсов «мозг-компьютер» своей компании Neuralink. Года четыре назад он обещал соединение любого человека с компьютером в…

Видео дня: как обезьяны силой мысли в The New York Times писали

Группа учёных из нескольких подразделений Стэнфордского университета научила обезьян напечатать силой мысли Гамлета и статьи в The New York Times. Увы, это не означает, что…

Видео дня: ликбез по DBS

Сегодня в нашей традиционной вечерней рубрике вместо картинки дня видео, да не простое, а посвященное такому важному, необходимому, но все еще загадочному методу лечения болезни…

Глубокая стимуляция мозга помогает при лечении тяжелой устойчивой депрессии

Ученые из Фрайбургского университета, опубликовавшие свою работу в журнале Nature Neuropsychopharmacology, обнаружили, что глубокая стимуляция мозга (DBS)  обеспечивает значительное уменьшение симптомов депрессии у пациентов с устойчивой…

Григорий Ениколопов: мы работаем над «внутренними резервами» мозга

В сентябре 2020 года в Москве состоится III Международная конференция CTERP 2020, которая будет посвящена исследованиям в области клеточной нейробиологии. Наш портал выступает информационным партнером форума. Мы поговорили…

Два «магнита» в одном: в Финляндии создали новый подход к нейровизуализации

Исследователи из Университета Аалто в Финляндии скрестили две «магнитных» методики сканирования мозга и получили новый инструмент, который поможет одновременно получать и структурные изображения, и информацию о…

Два протеза руки «силой мысли» одновременно: с обратной связью

Исследователи из Университета Джонса Хопкинса создали первый в мире «дважды двусторонний» протез рук, управляемый интерфейсом «мозг-компьютер»: два протеза, управляемые при помощи нейроимплантов, передают тактильную информацию…

Запущенный инсульт облегчит кластерная стимуляция нейронов

Исследователи из Университета Калифорнии в Сан-Франциско (UCLA) создали новый эффективный подход при инсульте. Они предложили стимулировать нейроны, располагающиеся в крыловидно-небном узле – части тройничного нерва….

Зеркальные нейроны человека в реальной жизни

Мы продолжаем знакомить вас с работами иностранных участников конференции BCISamara-2019, регистрация на которую бесплатна и  действует до 25 сентября. Сегодня мы расскажем вам о работе…

Имплант для нейромодуляции, управляемый со смартфона

Оптогенетика и таргетная доставка препаратов прямо в мозг становятся еще ближе, и этому посвящена статья, вышедшая на прошлой неделе в журнале Nature Biomedical Engineering. Коллаборация корейских…

Имплантация эпилепсии

Перед вами — клетки-предшественники нейронов человека, имплантированные в мозг мыши с моделью эпилепсии. Технологии позволяют увидеть эти клетки, полученные хирургическим путем в ходе операции по поводу…

Интересный пациент: женщина, которой не страшны инсульты

Об этой истории стало известно благодаря публикации в журнале Frontiers in Aging Neuroscience. В статье от 10 января 2017 года южноамериканские неврологи (коллектив авторов представляет…

Итоги года от Lancet Neurology: эпилепсия

Продолжаем серию неврологических итогов 2019 года от журнала Lancet Neurology. Эпилепсия – хроническое заболевание головного мозга, характеризующееся повторными патологическими всплесками нейронной активности, которые возникают в какой-то…

Как во сне улучшить память?

Исследователи HRL Laboratories опубликовали результаты, показывающие, что направленная транскраниальная электростимуляция во время медленного сна может улучшить метапамять определенных эпизодов почти на 20 процентов после лишь…