Ako vytlačené umelé neuróny komunikujú so skutočnými mozgovými bunkami

Priepasť medzi elektronikou a biológiou

Jedným z najťažších inžinierskych problémov v neurovede bolo desaťročia vytváranie elektroniky, ktorá hovorí jazykom mozgu. Konvenčné kremíkové čipy pracujú so stabilnými napäťovými signálmi, ale biologické neuróny komunikujú prostredníctvom rýchlych, nepravidelných elektrických impulzov. Prekonanie tohto nesúladu je nevyhnutné pre neuroprotetiku – zariadenia, ktoré obnovujú stratený sluch, zrak alebo pohyb priamym prepojením s nervovým systémom. Nová generácia vytlačených umelých neurónov túto priepasť prekonáva.

Čo sú umelé neuróny?

Umelý neurón je elektronické zariadenie navrhnuté tak, aby napodobňovalo impulzné správanie skutočnej nervovej bunky. V biológii neurón akumuluje elektrický náboj, kým neprekročí prah, potom vyšle krátky impulz a resetuje sa – tento vzorec sa nazýva integruj-a-vystreľ. Umelé neuróny replikujú tento cyklus pomocou špecializovaných obvodových prvkov namiesto iónových kanálov a bunkových membrán.

Kritickou súčasťou najnovších zariadení je memristor – rezistor s pamäťou. Keď sa aplikuje napätie, vo vnútri materiálu sa vytvorí drobné vodivé vlákno, ktoré umožňuje prúdenie prúdu v náhlom výbuchu, ktorý sa veľmi podobá biologickému impulzu. Keď sa vlákno pretrhne, zariadenie sa resetuje a cyklus sa môže začať znova. Ladením materiálov a geometrie môžu výskumníci upraviť frekvenciu, amplitúdu a časovanie impulzov tak, aby zodpovedali vzorom, ktoré skutočné neuróny očakávajú.

Tlač neurónov ako atrament na papier

Výskumníci z Northwestern University, vedení materiálovým vedcom Markom Hersamom, demonštrovali v štúdii publikovanej v Nature Nanotechnology, že umelé neuróny sa dajú vyrábať prístupom bližším k atramentovej tlačiarni ako k polovodičovej fabrike. Tím vytvoril elektronické atramenty z nanočastíc disulfidu molybdénu (MoS₂) – polovodiča – a grafénu – elektrického vodiča.

Pomocou aerosólovej tryskovej tlače sa atramenty nanášajú na tenké, flexibilné polymérne fólie. Kľúčová inovácia spočíva v čiastočnom rozklade polymérneho stabilizátora v atramente namiesto jeho úplného odstránenia. Keď prúd preteká zariadením, dochádza k ďalšiemu nerovnomernému rozkladu, čím sa vytvárajú vodivé vlákna nevyhnutné pre impulzné správanie. Výsledné obvody môžu vysielať impulzy s laditeľnými frekvenciami až do 20 kHz a zostávajú stabilné viac ako milión cyklov.

Komunikácia so živým tkanivom

Skutočný prelom nastáva, keď sa tieto vytlačené neuróny stretnú s biologickými. V experimentoch na rezoch myšieho mozgového tkaniva generovali umelé neuróny elektrické impulzy dostatočne realistické na to, aby aktivovali živé neuróny, čím vyvolali merateľné reakcie v skutočných mozgových bunkách. Táto úroveň biokompatibility je nevyhnutným predpokladom pre akékoľvek zariadenie určené na implantáciu.

Tradičné rozhrania mozog-stroj sa spoliehajú na pevné mikroelektródové polia – drobné mriežky kovových kontaktov implantované do lebky. Fungujú, ale tuhé materiály môžu časom poškodiť mäkké mozgové tkanivo, čo spôsobuje jazvy, ktoré zhoršujú signál. Vytlačené neuróny na flexibilných substrátoch by sa mohli prispôsobiť povrchu mozgu, čím by sa znížilo poškodenie tkaniva a predĺžila životnosť zariadenia.

Prečo je to dôležité pre neuroprotetiku

Rozhrania mozog-stroj už umožňujú pozoruhodné výkony. Klinické štúdie ukázali, že implantované polia dokážu dekódovať rukopis, reč a komplexné motorické zámery z kortikálnej aktivity, čo umožňuje paralyzovaným pacientom písať, hovoriť prostredníctvom syntetizátora alebo ovládať robotické rameno. Súčasné zariadenia sú však drahé na výrobu, tuhé a vyžadujú invazívny chirurgický zákrok.

Vytlačené umelé neuróny riešia niekoľko z týchto obmedzení súčasne:

• Cena: Tlač je aditívna – materiál ide len tam, kde je potrebný – čím sa znižuje odpad pri výrobe a náklady v porovnaní s litografiou v čistých priestoroch.
• Flexibilita: Polymérne substráty sa ohýbajú s telom, čím sa znižuje mechanický nesúlad, ktorý spôsobuje jazvy na tkanive.
• Škálovateľnosť: Rovnaký proces tlače by mohol vyrábať zariadenia vo veľkých dávkach, čím by sa neuroprotetika stala dostupnejšou.

Výzvy do budúcnosti

Vytlačené neuróny, ktoré fungujú na rezoch mozgu v laboratóriu, ešte nie sú pripravené na implantáciu u ľudí. Dlhodobá biokompatibilita, bezdrôtové napájanie a integrácia s imunitnou obranou tela zostávajú otvorenými inžinierskymi problémami. Regulačné schválenie akéhokoľvek implantovaného neurálneho zariadenia si tiež vyžaduje roky bezpečnostných testov.

Napriek tomu schopnosť tlačiť flexibilnú, lacnú elektroniku, ktorá skutočne komunikuje s biologickými neurónmi, predstavuje významný míľnik. Ako poznamenávajú výskumníci z Northwesternu, posúva to oblasť bližšie k budúcnosti, kde by sa oprava poškodeného nervového systému mohla začať zariadením postaveným na stolnej tlačiarni.