Естественный нейрон связали с кремниевым через интернет
Ученые создали систему, которая соединила искусственные и живые нейроны через мемристор. Примечательно, что три элемента этого гибрида находились в разных точках Европы и были связаны через интернет. Несмотря на расстояние, сеть функционировала и проявляла свойства живых нейронных систем, например, долговременную потенциацию. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.
В основе функционирования мозга лежат нейронные сети. Ключевую роль в передаче, обработке и хранении информации между клетками этих сетей играют синапсы — соединения нейронов. Современные технологии позволяют создавать искусственные нейроны и синапсы, а также соединять мозг и компьютер.
Мемристоры позволяют имитировать такое свойство биологического синапса, как долговременная потенциация: при длительном воздействии одного нейрона на другой передача сигнала между ними становится более эффективной. Это электронные элементы, которые изменяют свое сопротивление в зависимости от того, какой заряд через них протекает.
Группа ученых из Великобритании, Германии, Италии, и Швейцарии под руководством Алексантроу Серба (Alexantrou Serb) из Саутгемптонского университета создала систему, которая с помощью мемристора соединила искусственные нейроны с биологическими и могла передавать сигналы в обоих направлениях. Первый элемент сети — кремниевый нейрон, который представляет собой интегральную схему, состоящую из миллионов транзисторов. Это устройство генерировало электрические импульсы, которые передавались на мемристор, а затем через микроэлектрод — на нейрон гиппокампа мыши, выделенный в культуру. Напряжение, подаваемое на нервную клетку, напоминало возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП), из которых формируются нейронные импульсы в мозге. Такой гибридный синапс назвали синаптором.
Для того, чтобы имитировать свойственную любому синапсу пластичность, на мемристор подавали сигнал через два полюса. Первый служил аналогом пресинаптической стимуляции, на него поступало возбуждение от искусственного нейрона. Второй служил постсинаптическим входом и возвращал на мемристор ответ от биологического нейрона.
Вторая часть системы была создана, чтобы передавать сигнал от живой клетки к кремниевой. Импульсы нейрона регистрировали с помощью метода локальной фиксации потенциала (patch-clamp), далее по микроэлектроду они поступали во второй мемристор и через него на искусственный нейрон. В результате получилась схема-гибрид, которая передавала сигнал от одной кремнивой нервной клетки к другому — живому — нейрону.
Еще большую экзотичность исследованию добавляет то, что элементы системы располагались в разных точках мира: кремниевые нейроны находились в Цюрихе, мемристоры — в Саутгемптоне, а культура мышиных нейронов — в итальянской Падуе. Система использовала протокол UDP для передачи данных через интернет.
Чтобы продемонстрировать свойства синапторов, исследователи решили смоделировать на них долговременную потенциацию глутаматергических синапсов гиппокампа. Первый искусственный нейрон выполнял функцию водителя ритма: он производил электрические сигналы определенной частоты. Мемристоры играли роль постсинаптической мембраны, которая и несет функцию пластичности в мозге. Они были запрограммированы изменять сопротивление в ответ на частоту разряда биологического нейрона, которая регистрировалась через постсинаптический вход. По такому же принципу работают AMPA-рецепторы глутамата клеток гиппокампа. Второй искусственный нейрон сети работал в режиме спонтанной разрядки — он спонтанно выдавал импульсы без заданной частоты, а биологическая клетка через мемристор влияла на его активность.
В результате в ответ на период высокочастотной импульсации, задаваемой искусственным нейроном, живая клетка повышала свою активность и сохраняла ее даже после снижении частоты раздражения. Это приводило также к усилению спонтанной активности третьего элемента цепи. При снижении частоты разрядки водителя ритма развивалась долговременная депрессия, при которой активность как второго, так и третьего нейронов системы снижалась.
Это первая сеть такого типа, в дальнейшем ее можно улучшать и применять к таким медицинским задачам, как терапия сердечной аритмии, гипертонии, повреждений спинного мозга и болезни Паркинсона.
Свойства мемристоров применяют также для создания чипов, которые можно использовать в машинном обучении. Например, в 2015 году была создана нейронная сеть, состоящая из мемристоров.
Алиса Бахарева
Для этого растению понадобилось 15 минут
Японские ученые отследили механизм работы белков семейства LAZY, занимающих ключевое место в восприятии силы тяжести растениями. В покое белки экспонированы на поверхности статолитов — органелл, имеющих высокую плотность и лежащих из-за этого в нижних частях клетки. Но наклон ростков резуховидки Таля приводил к тому, что статолиты перемещались в новые нижние участки клетки, оставляя отпечаток из белков LAZY. Белки, перенесенные с мембраны статолитов на цитоплазматическую мембрану, маркируют новое направление роста и изгиба корня. Исследование опубликовано в журнале Science. У корней большинства высших растений выражен гравитропизм, то есть движение в сторону источника силы тяжести. За гравитропизм корней отвечают клетки-статоциты, входящие в состав корневого чехлика. В них находятся органеллы статолиты — родственники хлоропластов, заполненные крахмалом и лежащие в нижней части клетки из-за более высокой, чем у цитоплазмы, плотности. Статолиты маркируют направление изгиба и роста корня, поскольку клетка экспортирует фитогормон ауксин в ту сторону, куда указывают органеллы, а ауксин вызывает растяжение клеток (по такому принципу поворачиваются растения подсолнечника в течение дня) и стимулирует их деление. Все эти детали были известны еще 50 лет назад, но механизмы, связывающие оседание статолитов и направление транспорта ауксина, за прошедшее время так и не были расшифрованы. Впрочем, было установлено, что белки семейств LAZY и RLD имеют отношение в гравитропизму, ведь корни растений, у которых выключены эти гены, перестают расти вниз. Молекулярные биологи и физиологи растений из нескольких университетов США и Японии при участии Миё Тэрао Морита (Miyo Terao Morita) из Национального института фундаментальной биологии в Окадзаки сосредоточились на изучении работы двух белков семейства LAZY — LZY3 и LZY4 — в корневом чехлике резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana). Анализ аминокислотной последовательности LZY3 и LZY4 показал, что у белков нет трансмембранного домена для заякоривания в мембране, зато есть гидрофобные и положительно заряженные участки для взаимодействия с фосфолипидами внутреннего слоя мембраны. Точечные мутации в этих участках белков нарушали гравитропизм у ростков резуховидки. Поскольку белок с таким строением неспособен прочно фиксироваться в мембране, но при этом критически важен для гравитропизма, то, предположили биологи, он может слабо прикрепляться попеременно к плазматической мембраной и к гликолипидам внешней мембраны статолитов. И действительно, LZY3 и LZY4 были обнаружены на поверхности обеих мембран. Далее ученые при помощи конфокальной микроскопии отследили, как меняется распределение LZY4 в живой клетке после наклона ростков на 90-135 градусов. Уже спустя три минуты статолиты оказывались в нижней части клетки. Через 15 минут обнаружились метки LZY4 на прилежащем участке плазмалеммы, а первые признаки изменения формы корня появились через полчаса с начала эксперимента. Помимо воздействия гравитацией, ученые подвигали амилопласты внутри живых клеток при помощи оптического пинцета, чтобы исключить, что полярность клетки управляется какими-либо другими органеллами, имеющими высокую плотность. Как и в эксперименте с наклоном ростка, через несколько минут флуоресцентная метка, пришитая к LZY4, переходила с пластид на плазматическую мембрану. После оседания LZY на мембране с ним связывались белки семейства RLD, которые, в свою очередь, привлекают на мембрану белки-экспортеры ауксина. Таким образом, японские ученые описали еще один механизм механорецепции живыми организмами. По словам авторов статьи, принцип работы LAZY-зависимых сенсоров, чувствующих направление силы притяжения, но не ее величину, похож на работу «аналогового» инклинометра. Человеческие же проприорецепторы, полукружные канальцы и отолитовые органы работают как акселерометры, детектирующие линейное или угловое ускорение при движении головы, внутренних органов или мышц. Подробнее о принципе их работы можно прочитать в нашем материале «Премия за самочувствие». Градиент ауксина в корне влияет на только на его рост в физиологических условиях, но и, к примеру, на заживление ран.