Naukowcy wydrukowali sztuczne neurony. Te zaczęły „rozmawiać” z żywym mózgiem
Drukowane neurony opracowane na Northwestern University generują impulsy, które potrafią pobudzać żywe komórki nerwowe. W testach na skrawkach móżdżku myszy sztuczne sygnały wywoływały odpowiedzi prawdziwych neuronów i uruchamiały obwody neuronalne w sposób zbliżony do naturalnego. To ważny krok w stronę neuroprotez i oszczędniejszego sprzętu dla AI.
Inżynierowie z Northwestern University pokazali, że sztuczne neurony można nie tylko budować, ale i „podłączyć” do żywej tkanki. Ich elastyczne, drukowane urządzenia wytwarzały impulsy elektryczne na tyle podobne do naturalnych, że w testach na skrawkach móżdżku myszy pobudzały żywe neurony. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Nature Nanotechnology”.
Sztuczne neurony pobudzają mózg
Uczeni i wynalazcy od dawna próbują znaleźć sposób na wymianę informacji między elektroniką a żywą tkanką nerwową. Nie wystarczy do tego zwykły prąd elektryczny. Liczy się kształt i dynamika impulsu, bo biologiczne neurony komunikują się na wiele sposobów. Naukowcy opracowali drukowane elementy zdolne do tworzenia zróżnicowanych wzorców: pojedynczych impulsów, ciągłych wyładowań oraz ich serii. Prof. Mark C. Hersam, kierujący badaniem podkreśla, że takie sygnały pozwalają na budowanie mniejszych i bardziej energooszczędnych urządzeń komunikujących się z neuronami.
Bogatszy repertuar sygnałów pozwala kodować więcej informacji w pojedynczym komponencie. W konsekwencji przyszłe układy mogą potrzebować mniej elementów, aby wykonywać złożone operacje – a to przekłada się na oszczędność energii. Prof. Hersam zwraca też uwagę na szerszy kontekst. Rozwój sztucznej inteligencji idzie dziś w stronę trenowania na coraz większych zbiorach danych, co pociąga za sobą rosnące koszty energetyczne. Dlatego konstruowanie sprzętu inspirowanego mózgiem – bardzo energooszczędnym urządzeniem obliczeniowym – może pomóc w stworzeniu nowych chipów AI.
Ulepszony druk aerozolowy
Sztuczne neurony powstały dzięki aerosol jet printing, czyli drukowi aerozolowemu, który nanosi elektroniczne atramenty na elastyczne podłoża polimerowe. Atramenty oparto o nanopłatki dwusiarczku molibdenu (MoS2), pełniącego rolę półprzewodnika oraz grafenu działającego jako przewodnik.
Ważną częścią tej technologii jest polimer wchodzący w skład atramentów. W poprzednich podejściach traktowano go jako przeszkodę dla przepływu prądu i całkowicie usuwano po wydruku. Zespół prof. Hersama zrobił inaczej: polimer rozłożono tylko częściowo. Następnie przepływ prądu napędzał dalszą, nierównomierną w przestrzeni degradację materiału, co prowadziło do powstania przewodzącego „filamentu” — wąskiej ścieżki, która koncentruje przepływ prądu. Prof. Hersam wyjaśnia, że to właśnie ta ścieżka pozwala uzyskać bardziej złożone sygnały niż w opracowanych wcześniej sztucznych neuronach.
Nowe technologie na horyzoncie
Najlepszym sprawdzianem okazała się biologia. W ramach współpracy z zespołem neurobiologicznym prof. Indiry M. Raman sztuczne neurony podłączono do skrawków móżdżku myszy. Obserwacje pokazały, że wywoływały one odpowiedzi żywych neuronów i aktywowały obwody neuronalne w sposób zbliżony do naturalnego pobudzenia. Badacze zwracali uwagę, że kluczowe parametry impulsów odpowiadały istotnym cechom sygnałów biologicznych.
Prof. Hersam uważa, że właśnie dopasowanie odpowiedniego „kształtu” impulsu otwiera drogę do bezpośredniej interakcji elektroniki z żywą tkanką. Taki poziom kompatybilności jest ważny dla urządzeń, które mają współpracować z układem nerwowym: interfejsów mózg-maszyna i neuroprotez, w tym implantów wspierających słuch, wzrok i ruch.
Źródło: Nature Nanotechnology