Среда, 21 февраля, 2024
ДомойТехнологииРеволюционный биочип имитирует сетчатку человека: скачок к реальности киборгов

Революционный биочип имитирует сетчатку человека: скачок к реальности киборгов

- Advertisement -

Ученые создали биочип, который копирует сетчатку, предлагая достижения в области медицинских имплантатов, исследований нейронов и искусственного интеллекта. Этот гибкий органический полупроводник имеет потенциальное применение в лечении неврологических расстройств и повышении эффективности вычислений.

Группа международных исследователей под руководством Франчески Санторо из Юлиха разработала биочип, имитирующий сетчатку человека. Это нововведение является частью более широких усилий в области биоэлектроники, направленных на восстановление телесных и мозговых дисфункций. Создание этого чипа является совместным достижением экспертов из Forschungszentrum Jülich, RWTH Aachen University, Istituto Italiano di Tecnologia и Неаполитанского университета. Их работа и выводы были опубликованы в журнале. Природные коммуникации.

Слияние человека и машины является воплощением научно-фантастического повествования. В реальной жизни первые шаги к таким киборгам уже сделаны: у людей есть кардиостимуляторы для лечения аритмии или кохлеарные импланты для улучшения слуха, а имплантаты сетчатки помогают почти слепым людям видеть хоть немного. Новый чип может помочь имплантатам сетчатки в будущем еще лучше сливаться с человеческим телом. Он основан на проводящих полимерах и светочувствительных молекулах, которые можно использовать для имитации сетчатки вместе со зрительными путями. Он был разработан исследовательской группой Франчески Санторо в Институте биоэлектроники Юлиха (IBI-3) в сотрудничестве с RWTH Ахенского университета, Итальянским технологическим институтом в Генуе и Неаполитанским университетом.

«Наш органический полупроводник распознает, сколько света на него падает. Нечто подобное происходит и в наших глазах. Количество света, попадающего на отдельные фоторецепторы, в конечном итоге создает изображение в мозгу», — объясняет Санторо, профессор нейроэлектронных интерфейсов в RWTH Ахенского университета, а также приглашенный исследователь в Итальянском технологическом институте.

Универсальный чип

Уникальность нового полупроводника заключается в том, что он полностью состоит из нетоксичных органических компонентов, является гибким и работает с ионами, то есть с заряженными атомами или молекулами. Таким образом, его можно интегрировать в биологические системы гораздо лучше, чем традиционные полупроводниковые компоненты из кремния, которые являются жесткими и работают только с электронами. «Клетки нашего тела специально используют ионы для управления определенными процессами и обмена информацией», — объясняет исследователь. Однако разработка пока является лишь «проверкой концепции», подчеркивает она. Материал был синтезирован, а затем охарактеризован: «Мы смогли показать, что с его помощью можно имитировать типичные свойства сетчатки», — говорит она.

Профессор Франческа Санторо. Фото: Итальянский институт технологий.

Исследователи уже думают о другом возможном применении: чип также может функционировать как искусственный объект. синапс поскольку световое облучение меняет проводимость полимера, который используется в краткосрочной и долгосрочной перспективе. Реальные синапсы работают аналогичным образом: передавая электрические сигналы, они меняют свой размер и эффективность, что, например, является основой способности нашего мозга к обучению и памяти. Санторо смотрит вперед: «В будущих экспериментах мы хотим соединить компоненты с биологическими клетками и соединить вместе множество отдельных».

Понимание нейронов

Помимо искусственной сетчатки, команда Санторо разрабатывает другие подходы к созданию биоэлектронных чипов, которые смогут аналогичным образом взаимодействовать с человеческим телом, в частности с клетками нервной системы. «С одной стороны, мы пытаемся воспроизвести трехмерную структуру нервных клеток, а с другой стороны, мы также пытаемся воспроизвести их функции, например, обработку и хранение информации».

Биополимеры, которые они использовали в искусственной сетчатке, оказались для этого подходящим исходным материалом. «Мы можем использовать их для воспроизведения разветвленной структуры нервных клеток человека с их многочисленными дендритами. Вы можете представить его немного похожим на дерево», — объясняет ученый. Это важно, поскольку настоящие клетки предпочитают такие разветвленные трехмерные структуры гладким поверхностям и таким образом устанавливают тесные контакты с искусственными.

Во-первых, разные биочипы можно использовать для изучения реальных нейронов – например, клеточного обмена информацией. Во-вторых, Санторо и ее команда надеются, что когда-нибудь они смогут использовать свои компоненты для активного вмешательства в пути коммуникации клеток, чтобы вызвать определенные эффекты. Например, Санторо думает здесь об исправлении ошибок в обработке и передаче информации, возникающих при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Паркинсона или болезнь Паркинсона. болезнь Альцгеймера заболевания или поддерживающих органов, которые больше не функционируют должным образом. Кроме того, такие компоненты могут также служить интерфейсом между протезами конечностей или суставов.

Компьютерные технологии также могут принести пользу. Благодаря своим свойствам чипы предназначены для использования в качестве оборудования для искусственных нейронных сетей. Пока что программы искусственного интеллекта все еще работают с классическими процессорами, которые не могут адаптировать свою структуру. Они просто имитируют принцип самообучения, заключающийся в изменении нейронных сетей с помощью сложного программного обеспечения. Это очень неэффективно. Искусственные нейроны могли бы исправить этот предыдущий недостаток: «Они позволят использовать компьютерные технологии, имитирующие работу мозга на всех уровнях», — говорит Санторо.

Ссылка: «Оптоэлектронные транзисторы на основе азобензола для нейрогибридных строительных блоков» Федерика Коррадо, Уго Бруно, Мирко Прато, Антонио Карелла, Валерия Крискуоло, Арианна Массаро, Мишель Павоне, Ана Б. Муньос-Гарсиа, Стивен Форти, Камилла Колетти, Оттавия Беттуччи. и Франческа Санторо, 2 ноября 2023 г., Природные коммуникации.
DOI: 10.1038/s41467-023-41083-2

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме