Учёные создали искусственный нейрон, который воспроизводит ключевые характеристики настоящих нервных клеток — от амплитуды электрических импульсов до их энергозатрат и частоты. Впервые электронное устройство «заговорило» с живыми клетками на их собственном языке.

Настоящие нейроны обмениваются информацией через короткие электрические импульсы — спайки. Их амплитуда составляет около 70–130 милливольт, а энергия — от 0,3 до 100 пикоджоулей. До сих пор искусственные аналоги требовали гораздо больших напряжений и энергозатрат, из-за чего не могли полноценно взаимодействовать с биологическими системами.

Иллюстрация: Gemini

Авторы использовали мемристор — элемент, меняющий сопротивление в зависимости от предыдущих воздействий, — изготовленный с помощью белковых нанопроводов. Это позволило снизить порог работы устройства до ~60 мВ при токе ~1,7 нА. Новый нейрон генерирует импульсы амплитудой до 120 мВ и с энергией от 0,2 до 37 пикоджоулей — полностью в пределах биологических значений. Частота срабатываний регулируется параметрами цепи и демонстрирует поведение, схожее с настоящими нейронами: реакция усиливается при росте стимулов, но затем выходит на насыщение.

Важнейшая часть эксперимента — проверка взаимодействия с живыми клетками. Учёные подключили искусственный нейрон к кардиомиоцитам, клеткам сердечной мышцы. Когда ритм их сокращений увеличился под действием норадреналина (с ~0,4 до ~0,6 Гц), искусственный нейрон начал выдавать собственные спайки. То есть устройство напрямую отреагировало на биологический сигнал.

Сетка с графеновыми датчиками, встроенная в сердечную ткань, регистрирует электрические и механические сигналы клеток. При низкой частоте импульсов искусственный нейрон молчит, при более высокой — начинает выдавать спайки, как настоящая нервная клетка. Источник: Fu, S., Gao, H., Wang, S. et al.

Система также поддерживает химическую модуляцию: концентрация ионов натрия или молекул дофамина меняет сопротивление мемристора и частоту импульсов. Это аналог работы нейромедиаторов, которые регулируют активность нейронов в живом мозге.

Авторы отмечают, что схема может быть упрощена — например, если химический сенсор напрямую управляет сопротивлением без отдельного усилителя. Это уменьшит энергопотребление и сделает устройство более компактным.

Главное достижение работы — впервые искусственный нейрон воспроизводит и функции, и числовые параметры живых клеток. Это открывает дорогу к гибридным биосовместимым системам: от интерфейсов «мозг — машина» до новых поколений нейроморфных чипов, которые смогут работать в прямом контакте с живыми тканями.

Подробнее на iXBT