Створено революційний біочіп, що імітує сітківку ока людини

Команда міжнародних дослідників під керівництвом Франчески Санторо з Юліха розробила біочіп, який імітує сітківку ока людини. Ця інновація є частиною ширших зусиль у галузі біоелектроніки, спрямованих на відновлення тілесних і мозкових дисфункцій. Створення цього чіпа є спільним досягненням за участю експертів Forschungszentrum Jülich , RWTH Aachen University, Istituto Italiano di Tecnologia та Університету Неаполя. Їхня робота та висновки були опубліковані в журналі Nature Communications.

Злиття людини та машини є втіленням науково-фантастичного оповідання. У реальному житті перші кроки назустріч таким кіборгам зроблено давно: у людей є кардіостимулятори для лікування аритмії або кохлеарні імпланти для покращення слуху, а імплантати сітківки ока допомагають майже сліпим хоч трохи бачити. Новий чіп може допомогти імплантатам сітківки ще краще злитися з людським тілом у майбутньому. Він заснований на провідних полімерах і світлочутливих молекулах, які можна використовувати для імітації сітківки ока разом із зоровими шляхами. Він був розроблений дослідницькою групою Франчески Санторо в Інституті біоелектроніки Юліха (IBI-3) у співпраці з Аахенським університетом RWTH, Італійським технологічним інститутом у Генуї та Неаполітанським університетом.

«Наш органічний напівпровідник розпізнає, скільки світла падає на нього. Щось подібне відбувається в наших очах. Кількість світла, яке потрапляє на окремі фоторецептори, зрештою створює зображення в мозку», — пояснює Санторо, який є професором нейроелектронних інтерфейсів в Аахенському університеті RWTH, а також запрошеним дослідником в Istituto Italiano di Tecnologia.

Універсальний чіп

У новому напівпровіднику винятково те, що він повністю складається з нетоксичних органічних компонентів, є гнучким і працює з іонами, тобто із зарядженими атомами чи молекулами. Таким чином, його можна інтегрувати в біологічні системи набагато краще, ніж звичайні напівпровідникові компоненти, виготовлені з кремнію, які є жорсткими і працюють лише з електронами. «Клітини нашого тіла спеціально використовують іони для контролю певних процесів і обміну інформацією», — пояснює дослідник. Однак розробка поки що є лише «підтвердженням концепції», підкреслює вона. Матеріал був синтезований, а потім охарактеризований: «Ми змогли показати, що типові властивості сітківки можна імітувати за допомогою нього», — каже вона.

Дослідники вже думають про інше можливе застосування: чіп може також функціонувати як штучний синапс, оскільки світлове опромінення змінює провідність полімеру, який використовується в короткостроковій і довгостроковій перспективі. Справжні синапси працюють подібним чином: передаючи електричні сигнали, вони змінюють свій розмір та ефективність, що, наприклад, є основою для навчання та здатності нашого мозку до пам’яті. Санторо дивиться вперед: «У майбутніх експериментах ми хочемо поєднати компоненти з біологічними клітинами і з’єднати багато окремих клітин разом».

Розуміння нейронів

Окрім штучної сітківки, команда Санторо розробляє інші підходи до біоелектронних чіпів, які можуть взаємодіяти подібним чином з людським тілом, зокрема, з клітинами нервової системи. «З одного боку, ми намагаємося відтворити тривимірну структуру нервових клітин, а з іншого боку, ми також намагаємося відтворити їхні функції, наприклад, обробку та зберігання інформації».

Біополімери, які вони використовували у штучній сітківці ока, виявилися підходящим вихідним матеріалом для цього. «Ми можемо використовувати їх для відтворення розгалуженої структури людських нервових клітин з їхніми численними дендритами. Ви можете уявити собі, що це трохи схоже на дерево», — пояснює вчений. Це важливо, оскільки справжні клітини віддають перевагу таким розгалуженим тривимірним структурам, а не гладким поверхням, і таким чином встановлюють тісні контакти зі штучними.

По-перше, різні біочіпи можна використовувати для вивчення справжніх нейронів — наприклад, обміну інформацією між клітинами. По-друге, Санторо та її команда сподіваються, що колись вони зможуть використовувати свої компоненти для активного втручання в комунікаційні шляхи клітин, щоб викликати певні ефекти. Наприклад, Санторо думає про виправлення помилок в обробці та передачі інформації, які виникають при нейродегенеративних захворюваннях, таких як хвороба Паркінсона або Альцгеймера, або про підтримку органів, які більше не функціонують належним чином. Крім того, такі компоненти можуть слугувати інтерфейсом між штучними кінцівками чи суглобами.

Комп’ютерні технології також можуть отримати вигоду. Завдяки своїм властивостям чіпи приречені слугувати апаратним забезпеченням для штучних нейронних мереж. Поки що програми штучного інтелекту все ще працюють з класичними процесорами, які не можуть адаптувати свою структуру. Вони лише імітують принцип роботи нейронних мереж, що самонавчаються, змінюючи їх за допомогою складного програмного забезпечення. Це дуже неефективно. Штучні нейрони могли б виправити цей попередній недолік: «Вони уможливили б комп’ютерну технологію, яка імітує роботу мозку на всіх рівнях», — каже Санторо.