Нервный импульс через Интернет

2 марта 2020

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