Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Дофамин повлиял на работу нейроморфного устройства в биогибридном синапсе

Схема устройства биогибридного химического синапса: в ответ на потенциал действия нейрон выделяет дофамин, тот окисляется на электродах и изменяет проводимость постсинаптического модуля

Scott Keene et al. / Nature Materials, 2020

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.