Jak drukowane sztuczne neurony komunikują się z prawdziwymi komórkami mózgowymi

Przepaść między elektroniką a biologią

Od dziesięcioleci jednym z najtrudniejszych problemów inżynieryjnych w neuronauce jest budowa elektroniki, która „mówi” językiem mózgu. Konwencjonalne chipy krzemowe działają ze stałymi sygnałami napięcia, ale biologiczne neurony komunikują się poprzez szybkie, nieregularne impulsy elektryczne. Zniwelowanie tej rozbieżności jest niezbędne dla neuroprotez – urządzeń, które przywracają utracony słuch, wzrok lub ruch, łącząc się bezpośrednio z układem nerwowym. Nowa generacja drukowanych sztucznych neuronów zmniejsza tę przepaść.

Czym są sztuczne neurony?

Sztuczny neuron to urządzenie elektroniczne zaprojektowane tak, aby naśladować impulsowe zachowanie prawdziwej komórki nerwowej. W biologii neuron gromadzi ładunek elektryczny, aż przekroczy próg, a następnie wysyła krótki impuls i resetuje się – jest to wzorzec zwany integracją i wyzwalaniem. Sztuczne neurony replikują ten cykl za pomocą specjalistycznych elementów obwodu, a nie kanałów jonowych i błon komórkowych.

Krytycznym elementem w najnowszych urządzeniach jest memrystor – rezystor z pamięcią. Po przyłożeniu napięcia wewnątrz materiału tworzy się maleńki przewodzący włókno, umożliwiając przepływ prądu w nagłym wybuchu, który ściśle przypomina biologiczny impuls. Po przerwaniu włókna urządzenie resetuje się i cykl może rozpocząć się od nowa. Dostrajając materiały i geometrię, naukowcy mogą regulować częstotliwość, amplitudę i czas trwania impulsów, aby dopasować je do wzorców, których oczekują prawdziwe neurony.

Drukowanie neuronów jak atrament na papierze

Naukowcy z Northwestern University, pod kierownictwem materiałoznawcy Marka Hersama, zademonstrowali w badaniu opublikowanym w Nature Nanotechnology, że sztuczne neurony można wytwarzać za pomocą podejścia bliższego drukarce atramentowej niż fabryce półprzewodników. Zespół sformułował tusze elektroniczne z nanokryształów dwusiarczku molibdenu (MoS₂) – półprzewodnika – i grafenu – przewodnika elektrycznego.

Używając druku aerozolowego, tusze są osadzane na cienkich, elastycznych foliach polimerowych. Kluczowa innowacja polega na częściowym rozkładzie stabilizatora polimerowego w tuszu, zamiast całkowitego jego usuwania. Gdy prąd przepływa przez urządzenie, dalszy rozkład zachodzi nierównomiernie, tworząc przewodzące włókna niezbędne do impulsowego zachowania. Powstałe obwody mogą generować impulsy o regulowanej częstotliwości do 20 kHz i pozostają stabilne przez ponad milion cykli.

Komunikacja z żywą tkanką

Prawdziwym przełomem jest to, co się dzieje, gdy te drukowane neurony spotykają się z biologicznymi. W eksperymentach na skrawkach tkanki mózgowej myszy sztuczne neurony generowały impulsy elektryczne wystarczająco realistyczne, aby aktywować żywe neurony, wywołując mierzalne reakcje w prawdziwych komórkach mózgowych. Ten poziom biokompatybilności jest warunkiem wstępnym dla każdego urządzenia przeznaczonego do implantacji.

Tradycyjne interfejsy mózg-maszyna opierają się na sztywnych matrycach mikroelektrod – maleńkich siatkach metalowych styków wszczepianych do czaszki. Działają, ale sztywne materiały mogą z czasem uszkodzić miękką tkankę mózgową, powodując bliznowacenie, które pogarsza sygnał. Drukowane neurony na elastycznych podłożach mogłyby dopasować się do powierzchni mózgu, zmniejszając uszkodzenia tkanki i wydłużając żywotność urządzenia.

Dlaczego to ma znaczenie dla neuroprotez

Interfejsy mózg-maszyna umożliwiają już niezwykłe osiągnięcia. Badania kliniczne wykazały, że wszczepione matryce mogą dekodować pismo odręczne, mowę i złożone intencje ruchowe z aktywności korowej, umożliwiając sparaliżowanym pacjentom pisanie, mówienie za pomocą syntezatora lub sterowanie ramieniem robota. Ale obecne urządzenia są drogie w produkcji, sztywne i wymagają inwazyjnej operacji.

Drukowane sztuczne neurony rozwiązują kilka z tych ograniczeń jednocześnie:

• Koszt: Drukowanie jest addytywne – materiał trafia tylko tam, gdzie jest potrzebny – zmniejszając straty produkcyjne i koszty w porównaniu z litografią w pomieszczeniach czystych.
• Elastyczność: Podłoża polimerowe wyginają się wraz z ciałem, zmniejszając niedopasowanie mechaniczne, które powoduje bliznowacenie tkanki.
• Skalowalność: Ten sam proces drukowania może produkować urządzenia w dużych partiach, czyniąc neuroprotezy bardziej dostępnymi.

Wyzwania na przyszłość

Drukowane neurony, które działają na skrawkach mózgu w laboratorium, nie są jeszcze gotowe do implantacji u ludzi. Długotrwała biokompatybilność, bezprzewodowe zasilanie i integracja z mechanizmami obronnymi organizmu pozostają otwartymi problemami inżynieryjnymi. Zatwierdzenie regulacyjne dla każdego wszczepianego urządzenia neuronalnego wymaga również lat testów bezpieczeństwa.

Mimo to, zdolność do drukowania elastycznej, taniej elektroniki, która rzeczywiście komunikuje się z biologicznymi neuronami, stanowi znaczący kamień milowy. Jak zauważają naukowcy z Northwestern, przybliża to dziedzinę do przyszłości, w której naprawa uszkodzonego układu nerwowego mogłaby rozpocząć się od urządzenia zbudowanego na drukarce biurkowej.