Інженери створили біогібридний хімічний синапс, в якому дофамін, що виділяється живими клітинами, модулював провідність електродів нейроморфного пристрою. Медіатор незворотно змінював чутливість постсинаптичного блоку та імітував довготривалу потенціацію. Стаття опублікована в журналі.
Біогібридні нейроморфні (створені за подобою справжніх нейронів) синапси дозволяють з'єднувати електронні пристрої з живими клітинами. Зазвичай у таких інтерфейсах електрична активність нейронів реєструється і модулюється мікроелектродами - завдяки цьому вдалося відтворити такі властивості синапсів, як короткочасну і довготривалу потенціацію та синаптичні ваги. Однак у живих системах зв'язок між клітинами і перебудова синапсів здійснюється у відповідь на хімічні сигнали від нейротрансмітерів. Отже, щоб імітувати живу систему, необхідно навчити нейроморфні пристрої реагувати на динамічну зміну концентрації хімічних речовин.
Вчені з Італії та США під керівництвом Франчески Санторо (Francesca Santoro) з Італійського технологічного інституту створили біогібридний синапс, в якому роль пресинаптичного модуля відіграють виділяють дофамін клітини (PC-12), а потсинаптичним доменом служить нейроморфний пристрій. У живих системах дофамін відіграє важливу роль у синаптичній пластичності і пов'язаний з довготривалою потенціацією і депресією синапсів.
Нейроморфний модуль складався з електродів з поліетилендіокситіофену-полістиролсульфонату: воротного електрода і каналу. Електричні імпульси в першому запускали потік іонів в електролітному середовищі і впливали на провідність каналу. Коли дофамін опинявся в синаптичній щілині, він окислявся на воротному електроді, змінював його заряд, що в результаті змінювало провідність постсинаптичного каналу. Відтік дофаміну (в справжніх синапсах він реалізується за рахунок зворотного захоплення медіатора нейронами) здійснили за допомогою мікрофлюїного каналу, по якому дофамін і продукт його окислення вимивалися зі штучного синапсу.
Клітини вижили на нейроморфному пристрої і виділяли дофамін як мінімум протягом 24 годин. Ширина синаптичної щілини (відстань між мембранами клітин і постсинаптичними електродами) в середньому склала 100 нанометрів, а в місцях найбільш щільного контакту - п'ять-десять нанометрів - це близько до розмірів справжніх синапсів. Концентрація дофаміну в біогібридному синапсі склала 10-15 мікромоль на літр.
Присутність дофаміну викликала незворотні зміни в базовому рівні провідності постсинаптичного каналу (синаптичної ваги) - так працює довготривала потенціація синапсів. Зміна провідності залежала від щільності клітин (чим більше дофаміну вони виділяли, тим помітнішим був ефект) і від швидкості потоку в мікрофлюїдному каналі - якщо дофамін вимивався занадто швидко, він не встигав окислитися і зміна провідності каналів реверсувалася.
З часом при постійному виділенні дофаміну синаптична вага накопичувалася. Якщо ж клітини не виділяли медіатор, ніякої довготривалої потенціації не відбувалося. Таким чином, пристрій імітував динамічні взаємодії в хімічному синапсі: виділення медіатора, його відтік з синаптичної щілини і незворотна зміна чутливості постсинаптичного нейрона.
Нейроморфні пристрої використовують, наприклад, для створення процесорів і обчислювальних додатків. Минулого року вчені розробили гібридний процесор, 150 ядер якого влаштовані як нейрони і мають аксони, синапси, дендрити і перикаріони.