Искусственные нервы нужны для самого широкого спектра приложений, начиная от систем для восстановления поврежденных настоящих нервов до интерфейсов мозг-компьютер, высокоточных датчиков и другой передовой электроники. Но до сих пор проектирование искусственных нервных систем, которые работают на биологически совместимых частотах и реалистично воспроизводят функции настоящих нервов, остается сложной задачей.
Искусственные нервы позволяют создать интерфейс мозг-машина
Исследователи из Сианьского университета Цзяотун в Китае и Мюнхенского технического университета разработали высокочастотный искусственный нерв, который они имплантировали мышам и соединили с настоящей нервной системой. Искусственный нерв показал нормальные реакции, в том числе на условные рефлексы животного.
Двигатель науки. Unsplash
В последние годы многие инженеры пытались разработать аппаратные компоненты, которые могли бы имитировать функции различных биологических систем, включая человеческую кожу и мышцы. Эти компоненты включают в себя так называемые искусственные нервы, — системы, разработанные для имитации роли нервной системы в организме человека и других животных. Но пока достаточно надежные и быстрые нервы создать не удается.
Исследователи из Сианьского университета Цзяотун в Китае и Мюнхенского технического университета разработали высокочастотный искусственный нерв с уникальной конструкцией, которая оптимизирует транспорт ионов и электронов (как в настоящих нервах), быстро реагирует на сигналы и сохраняет информацию. Работа опубликована в журнале Nature Electronics.
Искусственный нерв основан на органических электрохимических транзисторах. «Органические электрохимические транзисторы n-типа являются возможным строительным блоком для искусственных нервов, поскольку их поведение может имитировать поведение биологических клеток», — пишут ученые. — «Но существующие устройства ограничены слабыми ионными и электронными транспортными и сохраняющими свойствами, что приводит к низкой производительности и медленному отклику. Мы описываем высокочастотный искусственный нерв на основе однородно интегрированных органических электрохимических транзисторов».
Искусственные нервы, разработанные группой исследователей, основаны на вертикальных органических электрохимических транзисторах n-типа, которые были последовательно нанесены на подложку. Эти устройства могут имитировать работу рецепторов, синапсов и сомы нейрона, в конечном итоге создавая цепи, подобные цепям настоящих нейронов.
Искусственный нерв на основе полупроводников n-типа.
Мыши с искусственными нервами
Ученые пишут: «Мы показываем, что искусственный нерв может быть интегрирован в модели животных с нарушенными нейронными функциями и может имитировать базовое условно-рефлекторное поведение».
Чтобы оценить потенциал своего искусственного нерва, исследователи имплантировали его мышам с нарушенными нейронными функциями. Система оказалась совместимой с биологическими тканями мышей, и эффективно имитировала рефлексы, передаваемые реальными нервами.
В будущем этот многообещающий искусственный нерв можно будет усовершенствовать и протестировать в более широком диапазоне экспериментов для дальнейшей оценки его безопасности и производительности. В конечном итоге его можно будет использовать для разработки технологий восстановления нервных цепей, а также интерфейсов мозг-компьютер, таких как протезы конечностей, которыми может управлять мозг.