Дофамин повлиял на работу нейроморфного устройства в биогибридном синапсе
Инженеры создали биогибридный химический синапс, в котором выделяемый живыми клетками дофамин модулировал проводимость электродов нейроморфного устройства. Медиатор необратимо изменял чувствительность постсинаптического блока и имитировал долговременную потенциацию. Статья опубликована в журнале Nature Materias.
Биогибридные нейроморфные (созданные по подобию настоящих нейронов) синапсы позволяют соединять электронные устройства с живыми клетками. Обычно в таких интерфейсах электрическая активность нейронов регистрируется и модулируется микроэлектродами — благодаря этому удалось воспроизвести такие свойства синапсов, как кратко- и долговременную потенциацию и синаптические веса. Однако в живых системах связь между клетками и перестройка синапсов осуществляется в ответ на химические сигналы от нейротрансмиттеров. Значит, чтобы имитировать живую систему, необходимо научить нейроморфные устройства реагировать на динамичное изменение концентрации химических веществ.
Ученые из Италии и США под руководством Франчески Санторо (Francesca Santoro) из Итальянского технологического института создали биогибридный синапс, в котором роль пресинаптического модуля играют выделяющие дофамин клетки (PC-12), а потсинаптическим доменом служит нейроморфное устройство. В живых системах дофамин играет важную роль в синаптической пластичности и связан с долговременной потенциацией и депрессией синапсов.
Нейроморфный модуль состоял из электродов из полиэтилендиокситиофена-полистиролсульфоната: воротного электрода и канала. Электрические импульсы в первом запускали поток ионов в электролитной среде и влияли на проводимость канала. Когда дофамин оказывался в синаптической щели, он окислялся на воротном электроде, изменял его заряд, что в результате изменяло проводимость постсинаптического канала. Отток дофамина (в настоящих синапсах он реализуется за счет обратного захвата медиатора нейронами) осуществили с помощью микрофлюиного канала, по которому дофамин и продукт его окисления вымывались из искусственного синапса.
Клетки выжили на нейроморфном устройстве и выделяли дофамин как минимум в течение 24 часов. Ширина синаптической щели (расстояние между мембранами клеток и постсинаптическими электродами) в среднем составила 100 нанометров, а в местах наиболее плотного контакта — пять-десять нанометров — это близко к размерам настоящих синапсов. Концентрация дофамина в биогибридном синапсе составила 10-15 микромоль на литр.
Присутствие дофамина вызвало необратимые изменения в базовом уровне проводимости постсинаптического канала (синаптического веса) — так работает долговременная потенциация синапсов. Изменение проводимости зависело от плотности клеток (чем больше дофамина они выделяли, тем заметнее был эффект) и от скорости потока в микрофлюидном канале — если дофамин вымывался слишком быстро, он не успевал окислиться и изменение проводимости каналов реверсировалось.
Со временем при постоянном выделении дофамина синаптический вес накапливался. Если же клетки не выделяли медиатор, никакой долговременной потенциации не происходило. Таким образом, устройство имитировало динамические взаимодействия в химическом синапсе: выделение медиатора, его отток из синаптической щели и необратимое изменение чувствительности постсинаптического нейрона.
Нейроморфные устройства используют, например, для создания процессоров и вычислительных модулей. В прошлом году ученые разработали гибридный процессор, 150 ядер которого устроены как нейроны и имеют аксоны, синапсы, дендриты и перикарионы.
Алиса Бахарева
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.