Електроніка розмовляє з клітинами: надруковані штучні нейрони тепер можуть спілкуватися з мозком

Чи можуть штучні клітини стати повноцінною частиною людського тіла?

Інженери з Північно-Західного університету досягли значного прогресу, створивши надруковані штучні нейрони, які не просто імітують біологічні клітини, а й здатні безпосередньо взаємодіяти з ними. Ці пристрої відрізняються гнучкістю, низькою собівартістю та можливістю генерувати електричні сигнали, що максимально наближені до тих, які виробляють живі нейрони, пише SciTechDaily.

Під час лабораторних випробувань, де використовувалися зрізи тканин мозку мишей, штучні нейрони успішно стимулювали реальні клітини, викликаючи вимірювані реакції. Цей успіх демонструє новий рівень сумісності між електронними системами та біологічними нейронними мережами.

Чому це корисно?

Така технологія відкриває двері для створення інтерфейсів "мозок – машина" та вдосконалених нейропротезів. Йдеться про імплантати, призначені для відновлення слуху, зору або рухових функцій у пацієнтів.

Крім медицини, результати дослідження вказують на можливість створення значно ефективніших комп'ютерних систем. Відтворюючи спосіб передачі сигналів нейронами – ключову особливість мозку, який є найбільш енергоефективною обчислювальною системою – апаратне забезпечення нового покоління зможе виконувати складні завдання, споживаючи значно менше енергії.

Дослідження було опубліковане 15 квітня в журналі Nature Nanotechnology. Керівник проєкту Марк К. Герсам, професор матеріалознавства та інженерії в Школі інженерії Маккорміка, професор медицини та хімії, а також директор Центру досліджень матеріалознавства Північно-Західного університету, наголошує на важливості цього відкриття для сучасного світу.

Він звертає увагу, що у сучасному світі домінує штучний інтелект. Щоб зробити ШІ розумнішим, його потрібно навчати на все більших обсягах даних. Таке навчання, що вимагає великого обсягу даних, призводить до серйозної проблеми з енергоспоживанням.

Тому нам потрібно розробити більш ефективне обладнання для обробки великих даних та ШІ. Оскільки мозок у п’ять разів енергоефективніший за цифровий комп’ютер, логічно шукати натхнення для обчислювальної техніки наступного покоління саме у мозку,
– прокоментував своє дослідження Марк К. Герсам.

Чому мозок кращий, ніж залізо?

Сучасні комп'ютерні системи, засновані на кремнії, намагаються вирішувати складні завдання шляхом додавання мільярдів ідентичних компонентів, розташованих на жорстких пласких платах. Ці системи є статичними і не змінюються після виготовлення.

Натомість мозок працює зовсім інакше: він складається з багатьох типів спеціалізованих нейронів, організованих у м'які тривимірні мережі, які постійно адаптуються та формують нові зв'язки під час навчання.

Кремній досягає складності за рахунок мільярдів ідентичних пристроїв. Усе однакове, жорстке і зафіксоване після виготовлення. Мозок – повна протилежність. Він гетерогенний, динамічний і тривимірний. Щоб рухатися в цьому напрямку, нам потрібні нові матеріали та нові методи створення електроніки,
– додає Герсам.

Як це працює?

Для досягнення такої подібності вчені використали спеціальні електронні чорнила, виготовлені з нанорозмірних лусочок дисульфіду молібдену (MoS2), що виступає напівпровідником, та графену, який є провідником. Ці чорнила наносилися на гнучкі полімерні поверхні за допомогою методу аерозольного струминного друку.

Цікаво, що полімерний компонент, який раніше вважався недоліком через перешкоджання проходженню струму, дослідники використали на свою користь. Частково розкладаючи полімер під дією струму, вони створили вузькі провідні канали, що забезпечують раптовий електричний відгук, подібний до імпульсу справжнього нейрона.

Завдяки цьому штучні нейрони можуть генерувати різноманітні сигнали, включаючи поодинокі сплески, стабільну стрільбу та серійні імпульси. Професорка нейробіології Індіра М. Раман разом зі своєю групою підтвердила, що ці сигнали відповідають природним за часом та тривалістю.

Інші лабораторії намагалися створити штучні нейрони з органічних матеріалів, але вони спрацьовували занадто повільно. Або використовували оксиди металів, які занадто швидкі. Ми знаходимося в часовому діапазоні, який раніше не був продемонстрований. Ви можете бачити, як живі нейрони реагують на наш штучний нейрон,
– пояснив Герсам.

Технологія має ще одну велику перевагу

Крім функціональності, нова технологія є екологічною та економічно вигідною. Метод адитивного друку дозволяє використовувати матеріали лише там, де це необхідно, мінімізуючи відходи. Це критично важливо, оскільки сучасні центри обробки даних ШІ споживають гігавати енергії та потребують величезної кількості води для охолодження.

За словами Герсама, технологічні компанії вже будують гігаватні дата-центри, які потребують окремих атомних електростанцій.

Очевидно, що це масове споживання енергії обмежить подальше масштабування обчислень, оскільки важко уявити дата-центр наступного покоління, який потребуватиме 100 атомних електростанцій,
– підсумував дослідник.

Наразі немає даних про те, коли технологію можна буде застосовувати на практиці.