Новые искусственные нейроны стимулируют блуждающий нерв мыши

Создание искусственных нейронов важно не только для лучшего понимания функционирования естественной нервной ткани. Искусственные нейроны, способные производить такие же импульсы, как и природные нервные клетки, позволят создавать чувствительные нейропротезы с аутентичной моторикой. Для эффективной работы искусственных нейронов требуется минимальная сложность устройства и рабочие ионные механизмы. Исследователи из Университета Линчепинга в сотрудничестве с коллегами из Каролинского института (Швеция), разработали искусственный электрохимический нейрон, который точно имитирует 15 из 20 характеристик биологических нервных клеток и может стимулировать естественные нервы.

Искусственный нерв авторы назвали c-OECN (conductance-based organic electrochemical neuron). Технически c-OECN — это стеклянные пластины с электродами (хром и золото), несколькими последовательными фотолитографическими рисунками, пленкой проводящего полимера и электролитом (обычно водным раствором NaCl).

Ранее команда ученых из Университета Линчепинга продемонстрировала, как искусственный органический нейрон можно интегрировать в живое плотоядное растение, чтобы управлять открытием и закрытием его ловчего аппарата. Этот нейрон имел 2 из 20 характеристик биологической нервной клетки.

Нейроны в биологической сети взаимодействуют с помощью ионов и биомолекул. Они общаются либо химическим путем, испуская нейротрансмиттеры, либо с помощью электрических импульсов, так называемых «спайков». Генерация «спайков» определяется проводимостью ионных каналов в клеточной мембране, зависящей от напряжения, ионов и нейротрансмиттеров.

Традиционные искусственные нейроны из кремния могут эмулировать некоторые нейронные функции, но их сложно производить, они не биосовместимы и не способны воздействовать на живые клетки с помощью ионных механизмов. В c-OECN эта функция реальных биологических нейронов была успешно воспроизведена: ионы используются для управления электронным током через проводящий полимер, что приводит к скачкам напряжения в органическом нейроне. В искусственной нервной клетке можно увеличивать и уменьшать ток по почти идеальной колоколообразной кривой, которая напоминает активацию и инактивацию ионных натриевых или калиевых каналов у настоящих нейронов.

Ученые разработали две схемы c-OECN, одну на основе Na+ (Na-OECT) и другую — на основе K+ (K-OECT), соединенные с двумя источниками напряжения. Канал K-OECT имеет более толстый слой полимера n-типа (50 нм по сравнению с 20 нм для Na-OECT), чтобы обеспечить более высокие токи через калиевый канал. Скорость переключения между Na-OECT и K-OECT составляет около 0,5–1 мс, что сопоставимо со временем активации натриевых и калиевых каналов в биологических нейронах.

c-OECN дает «спайки» на аналогичных биологическим частотах, близких к 100 Гц, эмулирует стохастические всплески мембранных потенциалов и обеспечивает регуляцию «спайков» нейротрансмиттерами и ионами. Авторы продемонстрировали, что c-OECN обладает такими нейронными функциями, как тонические всплески, латентность, подпороговые колебания, интеграция, рефрактерность, резонанс, пороговая вариабельность, всплески отскока, аккомодация, фазовые всплески и возбудимость разных классов. Эти комбинированные функции невозможно достичь с использованием предыдущих технологий получения искусственных нейронов, которые только электрически эмулируют биологические аналоги, не принимая во внимание биологическую среду, состоящую из ионов и биомолекул.

Исследователи управляли настройками разных схем c-OECN с помощью вторичных ионов, таких как Ca2+ и нейротрансмиттеры. В биологических нейронах Ca2+ играет решающую роль в регуляции нейронной активности, модулируя открытие и закрытие натриевых и калиевых каналов, стимулируя высвобождение нейротрансмиттеров и даже регулируя метаболизм и рост клеток. Введение ионов Са2+ в электролит искусственных нейронов приводило к изменению ряда параметров. Помимо ионов, на характеристики электрохимических нейронов оказывали влияние гамма-аминомасляная кислота и глутамин.

Авторы в эксперименте показали, что c-OECN при подключении к блуждающему нерву мыши может стимулировать его, снижая частоту сердечных сокращений на 4,5%. Следующим шагом исследователей станет снижение энергопотребления искусственных нейронов, которое пока еще намного выше, чем у нервных клеток человека.

Искусственные нервы управляют подвижностью мышц