Учёные из Университета Массачусетса (UMass Amherst) создали искусственный нейрон, максимально близкий к настоящему — он не только воспроизводит электрическую активность, но и реагирует на химические сигналы, как живая клетка. Это открытие может изменить медицину, вычислительные технологии и способы интеграции биологии с электроникой.
Как это устроено
Нейроны — уникальные клетки, обеспечивающие работу мозга и нервной системы. Они передают информацию через электрические импульсы и химические сигналы, координируя мысли, эмоции и движения.
Команда инженеров из UMass Amherst создала искусственный аналог, сопоставимый с живыми нейронами по размеру, энергопотреблению и скорости отклика. В основе разработки лежит мемристор — особый резистор с памятью, изготовленный с использованием белковых нанонитей бактерии Geobacter sulfurreducens. Эти проводящие нановолокна позволяют устройству работать при крайне низких напряжениях (около 60 мВ) и токах (1,7 нА), что практически совпадает с параметрами настоящих нейронов.
Для моделирования работы клетки мемристор встроили в простую RC-схему. Она воспроизводит ключевые фазы активности нейрона: накопление заряда, резкий всплеск при возбуждении, возвращение к исходному состоянию и короткий «рефрактерный период» — паузу перед следующим импульсом.
Ответ на химические сигналы
Чтобы сделать систему ещё ближе к живым клеткам, исследователи встроили сенсоры, улавливающие ионы натрия и нейромедиаторы, например дофамин. Эти сенсоры меняли электрические характеристики цепи, имитируя естественный процесс нейромодуляции.
В решающем эксперименте искусственный нейрон подключили к живым сердечным клеткам человека. Он смог в реальном времени фиксировать изменения их активности и реагировать на воздействие препарата норэпинефрина, который влияет на ритм сердца. Это подтверждает возможность будущей прямой интеграции таких нейронов с живыми тканями.
Зачем это нужно
Сегодня носимые сенсоры и медицинская электроника требуют значительных затрат энергии и сложной схемотехники для усиления сигналов организма. Искусственные нейроны нового типа способны работать без промежуточного усиления, что делает их более компактными и энергоэффективными.
В перспективе такие устройства могут:
- помогать в восстановлении повреждённых нейронных цепей,
- улучшать интерфейсы «мозг–машина»,
- использоваться для мониторинга клеточного здоровья и реакции на лекарства,
- стать основой для энергоэффективных вычислительных систем, вдохновлённых биологией.
Хотя пока это лишь лабораторный прототип, исследователи считают разработку важным шагом к естественной интеграции электроники и живых тканей.
Искусственный нейрон, созданный в UMass Amherst, впервые совместил реалистичное поведение, реакцию на химические сигналы и крайне низкое энергопотребление. В будущем такие технологии могут изменить медицину и вычислительную технику, открыв путь к новым видам биоинтерфейсов и «мозгоподобным» компьютерам.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
