Направена е важна крачка за истинско свързване на мозъка с компютър

Учени са създали изкуствена връзка за съединяването на неврони (биохибриден синапс), работеща с помощта на химическите вещества, с които работят и техните естествени аналози. Това е първа крачка към истинската интеграция на компютър и мозък. Резултатите от разработката са публикувани в списание Nature Materials.

Как разговарят невроните

Синапсите осъществяват контакта между две клетки на нервната тъкан, като между два неврона може да има няколко „паралелни” синапса.

Мембраните на нервните клетки в синапса са отделени една от друга с така наречената синаптична празнина. Можем да си я представим като пропаст между две скали. Всяка от „скалите” е мембраната (стената) на едната от двете клетки. Мембраната, която изпраща сигнал се нарича пресинаптична, а мембраната, която приема сигнала – постсинаптична. Задачата на синапса е да предаде сигнала през пропастта, която разделя мембраните.

Има няколко вида синапси в зависимост от това как се предава сигнала: електрически, химически и смесени. Повечето от синапсите в нервната система са химически. При тези синапси информацията се предава с помощта на химическо вещество – невромедиатор. Когато нервният сигнал достигне до пресинаптическата мембрана, тя отделя в синаптичната празнина даден невромедиатор. Неговите молекули пътешестват през празното пространство и на отсрещната страна се улавят от рецепторите на постсинаптичната мембрана. Предаването на сигнала може да се извършва само в една посока, тоест пресинаптичната мембрана може да произвежда невромедиатор, а постсинаптичната да го улавя.

Ключът към паметта

Има още едно много важно свойство при синапсите и то е пластичността, тоест да се променят възможностите за предаването на сигнала. Именно това позволява на човек да запомня информация, а значи и да се обучава. Кратковременното запомняне е свързано с това, че самата информация за кратък период увеличава проводимостта на синапсите. Организмът достига това за сметка на увеличеното изработване на невромедиатори и увеличеното количество на рецептори на постсинаптичната мембрана.

Дългосрочната памет е свързана с увеличаването на броя синапси между дадените неврони или с увеличаването на техните размери.

Почти истински синапси

Учените отдавна експериментират да съединят живи неврони с помощта на изкуствени синапси. До този момент тези системи като правило бяха електронни. Такива синапси не реагират на невромедиатори, отделяни от жива клетка. Именно по тази причина на изследователите им се налагаше да търсят обходни пътища за да „научат” неврона да подава сигнал към биоинженерния синапс.

Международен екип от италиански, нидерландски и американски учени, под ръководството на проф. Франческа Санторо от Италианския технологичен университет в Неапол, е разработил изкуствен биохибриден синапс, реагиращ на природния невромедиатор допамин. В качеството на пресинаптична мембрана в новата система се използва мембрана от жива клетка. Именно тя отделя допамин, който влиза в химическа реакция и се окислява до О-хинон.

Молекулите на О-хинона след това достигат до електрод, играещ ролята на постсинаптична мембрана. Той е изготвен от мек биосъвместим полимер, носещ името PEDOT:PSS (полиетилендиокситиофен-полистиролсулфонат ). По този начин синапсът прокарва сигнала. Но за да прилича на своите естествени „колеги”, той трябва да може да променя своята естествена проводимост. За тази цел учените са разположили на постсинаптичния електрод канал, пълен с електролит на водна основа. Когато електродът получава сигнал, зарядът, който се образува на него, се променя. Това води до отделянето на йони в канала. В резултат на това се увеличава проводимостта на канала, а заедно с това и проводимостта на биохибридния синапс.

В зависимост от различните условия, това може да бъде както краткосрочно, така и дългосрочно. Именно затова тази система може да се обучава по същия начин както го правят естествените невронни мрежи.

Изследователите са изпробвали своето изобретение, съединявайки изкуствените синапси с клетки от клетъчната линия РС12. Тази линия произхожда от ембрионалните стволови клетки на мишките. Клетките РС12 много приличат на невроните, които могат да отделят допамин в човешкия организъм.

Клетките в биохибридния синапс живеели минимум 24 часа, отделяйки допамин. Ширината на синаптичната празнина била средно 100 нанометра, а на някои места, където имало най-близък контакт – 5-10 нанометра, което е близко до разстоянията при истинските синапси. Концентрацията на допамин в биохибридния синапс била около 10-15 микромола на литър.

Изследователите са дразнили живите клетки, карайки ги да отделят невромедиатор. Експериментите показали, че синапсът действително прокарва сигнал, когато в синаптичната празнина постъпва допамин. Освен това учените успели да демонстрират краткосрочна и дългосрочна промяна на проводимостта на синапса.

Учените се надяват тяхното откритие да позволи създаването на системи , които да могат да осъществяват истинска интеграция на мозък с компютър, а също така за създаването на нови изследователски инструменти за невробиолозите.