Искусственный нейрон научился шептать мозгу — и мозг начал отвечать

Исследователи из Университета Массачусетса в Амхерсте (UMass Amherst) сообщили о создании первого искусственного нейрона, способного напрямую взаимодействовать с живыми клетками мозга почти так же, как это делают настоящие нейроны. Разработка опубликована в журнале Nature Communications и уже названа прорывом в области нейроинтерфейсов и биоинженерии.

Искусственный нейрон, который говорит на языке мозга

Главная особенность нового устройства — его способность работать на сверхнизком напряжении, около 0,1 вольта. Это именно то значение, которое используют нейроны человеческого мозга при передаче электрических импульсов.

Ранее искусственные нейроны требовали напряжения в десятки раз выше, из-за чего они буквально "кричали" на мозг, разрушая естественный баланс и мешая корректному взаимодействию. Теперь, как отмечают учёные, искусственный нейрон не кричит, а шепчет, то есть имитирует естественные сигналы.

"Наш нейрон не кричит на мозг, а мягко шепчет ему, передавая импульсы с той же деликатностью, что и живая клетка", — пояснил руководитель исследования Дерек Ловетт, профессор UMass Amherst.

Почему это открытие важно

Разработку называют новым типом биосовместимых нейронов, которые могут стать основой для интерфейсов, соединяющих искусственные устройства и живую ткань. Это направление — ключ к будущим нейропротезам, имплантам памяти и даже гибридным вычислительным системам, где органическая и электронная части работают синхронно.

Такие устройства помогут:

• восстановить повреждённые нейронные цепи;

• создать сверхточные интерфейсы для протезов и сенсоров;

• развить биокомпьютеры, где мозговые клетки выполняют часть вычислений.

Как устроен "нейрон нового поколения"

В основе технологии лежат белковые нанопроволоки, выращенные бактериями Geobacter sulfurreducens. Эти наноструктуры обладают уникальной способностью проводить электричество при высокой влажности, что делает их идеальными для контакта с живыми тканями.

Благодаря белковым нанопроводам:
• устройство стало в 10 раз энергоэффективнее аналогов;
• потребление мощности снизилось в 100 раз;
• нейрон получил естественную электрическую чувствительность, близкую к биологической.

Нанопроволоки образуют тонкий слой между искусственным нейроном и клеточной культурой. Через него устройство посылает и получает слабые электрические импульсы, распознавая ответы клеток в режиме реального времени.

Сравнение технологий искусственных нейронов

Как создавался искусственный нейрон

1. Выращивание нанопроводов. Бактерии Geobacter синтезировали белковые волокна толщиной менее 10 нм.

2. Формирование нейронной схемы. Исследователи интегрировали нанопроволоки в микросхему с сенсорными контактами.

3. Подключение к культуре клеток мозга. Устройство установили в питательной среде с живыми нейронами, чтобы проверить реакцию на электрические импульсы.

4. Синхронизация сигналов. Когда искусственный нейрон "посылал" импульс, живые клетки отвечали аналогичным колебанием потенциала — как в настоящей нейронной сети.

Результаты подтвердили, что биоэлектрическая коммуникация возможна, а искусственный нейрон способен имитировать динамику мозговых связей.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: использование кремниевых элементов с высоким напряжением.
  Последствие: повреждение клеток и потеря сигнала.
  Альтернатива: белковые нанопроволоки, работающие при биосовместимом потенциале.

• Ошибка: попытка напрямую подключать нейроны к стандартным электродам.
  Последствие: образование рубцовой ткани и ухудшение контакта.
  Альтернатива: гибкие биоматериалы, адаптированные к нейронной среде.

• Ошибка: игнорирование роли влажности и температуры.
  Последствие: деградация сигнала.
  Альтернатива: использование нанопроводов, устойчивых к биологическим условиям.

А что если…

А что если такие нейроны можно будет вживлять в мозг, помогая повреждённым участкам восстановить связь? Учёные уже обсуждают перспективу имплантации в рамках медицинских исследований. Если технология подтвердит безопасность, то появятся нейроинтерфейсы нового типа - не металлические, а биоэлектронные, способные работать годами без отторжения.

В перспективе такие устройства могут стать частью систем восстановления памяти, управления протезами и даже усиления когнитивных функций.

Плюсы и минусы технологии

FAQ

Почему использование 0,1 В — важно?
Это напряжение идентично электрическому потенциалу живых нейронов, что позволяет безопасно и точно имитировать их работу.

Что делает белковые нанопроволоки особенными?
Они гибкие, устойчивы к влаге и передают сигналы без потерь, что невозможно для металлических электродов в живой среде.

Можно ли использовать технологию в медицинских имплантах?
Да, именно это одно из главных направлений развития — создание биосовместимых нейропротезов.

Заменит ли такой нейрон живые клетки мозга?
Нет. Он не заменяет, а дополняет их, создавая канал связи между биологическим и электронным миром.

Мифы и правда

• Миф: искусственный нейрон управляет мозгом.
  Правда: он только передаёт и принимает сигналы, не вмешиваясь в естественные процессы.

• Миф: устройство требует мощного питания.
  Правда: ему достаточно долей вольта — меньше, чем батарейке в слуховом аппарате.

• Миф: технология полностью заменит нейроинтерфейсы вроде Neuralink.
  Правда: это скорее другая ветвь — более мягкая, биологически дружественная альтернатива.

Исторический контекст

Попытки создать искусственные нейроны предпринимались с конца 1990-х, но все они сталкивались с проблемой высокого энергопотребления и несовместимости с живыми тканями. Прорыв UMass Amherst стал возможен благодаря сочетанию нанобиотехнологии и микроэлектроники. Использование бактерий Geobacter для выращивания проводящих структур впервые предложили в 2018 году, и теперь эта технология перешла от лабораторных экспериментов к функциональным устройствам.

3 интересных факта

1. Белковые нанопроволоки Geobacter способны самовосстанавливаться, если их повредить.

2. Нейрон UMass Amherst потребляет энергии меньше, чем LED-индикатор.

3. Исследование финансировалось в том числе Национальным научным фондом США (NSF) как часть программы по развитию биоэлектронных систем.