Нейроны под контролем электроники

Немецкие и канадские ученые провели исследования одного из базовых элементов для будущих гибридных нейроэлектронных устройств.

Основной структурной единицей нервной системы животных (от муравья до человека) является нервная клетка, нейрон. Регулирование жизнедеятельности животных связано с постоянной циркуляцией последовательностей электрических импульсов в нейронных сетях. Хотя существуют различные виды нейронов, можно нарисовать обобщенный портрет нервной клетки человека: нейрон состоит из "тела" и отходящих от него ростков - коротких дендритов (ветвящихся отростков, воспринимающих сигналы от других нейронов, рецепторных клеток или внешних раздражителей ) и длинного аксона, основная функция которого - проводить электрические импульсы от тела нейрона к другим нейронам или клеткам. Место контакта аксона одного нейрона с дендритами или телом другого называется синапсом; непосредственно в области синапса передача возбуждения от одного нейрона к другому происходит химическим путем.

Хотя ученым известны общие закономерности обмена информацией между нейронами и между нейронами и другими клетками (такие, как механизмы формирования и распространения электрохимических сигналов), исследование функционирования сложных нейронных сетей - дело очень непростое. Достаточно сказать, что число других нейронов, в контакте с которыми находится каждый нейрон, может достигать десятков тысяч (в мозгу человека, например). Было бы желательно иметь в своем распоряжении возможность контролировать деятельность достаточно больших "сообществ" нейронов, причем по возможности неповреждающим путем (без введения микроскопических электродов в тело нейронов для контроля за их электрической активностью). В принципе такую возможность может дать формирование колоний нейронов на поверхности полупроводниковых микросхем, которые использовались бы для стимуляции нервных клеток и контроля за их электрической активностью. В будущем гибридные нейроэлектронные системы, возможно, могли бы найти применение в медицине, и не только.

Эксперименты с нейронно-полупроводниковыми структурами уже ведутся; исследуются различные простейшие гибридные структуры нейрон/микросхема - возможность стимуляции нейронов и регистрации их отклика с помощью "внешней" полупроводниковой электроники, возможность формирования искусственных контактов (являющихся частью микросхемы) между нейронами и т.д. Внесла свой вклад в исследования структур типа "нейроны на чипе" и немецко-канадская группа [1]. Для экспериментов ученые из Мюнхена и Калгари выбрали нейроны, управляющие дыхательной деятельностью улитки прудовой (Lymnae stagnalis). Два нейрона (VD4 и LPeD1) были размещены на полупроводниковой микросхеме, содержащей массив конденсаторов и транзисторов так, чтобы первый нейрон (VD4) располагался над конденсатором, а второй (LPeD1) - над транзистором; конденсаторы и транзиторы были сформированы на кремниевой подложке, и были отделены от слоя электролита, в который погружены нейроны, слоем SiO₂ толщиной 10 нм. Основной целью исследований была проверка возможности работы с находящимися в контакте с микросхемой и связанных между собой химическим синапсом нейронами, именно, стимулирования нейронов и регистрации отклика с помощью полупроводниковой электроники (без применения вживляемых в тело нейрона микроэлектродов).

С помощью конденсатора стимулировался пресинаптический нейрон VD4, связанный с постсинаптическим нейроном LPeD1, возбуждение которого регистрировалось с помощью транзистора. Для сравнения исследователи работали и с микроэлектродами, вводимыми в один или оба нейрона. Ими было показано, что в таких условиях формируется полноценный химический синапс, а стимуляция нейрона VD4 с помощью конденсатора ничем не хуже стимуляции с помощью электрода, а с помощью полевого транзистора под нейроном LPeD1 удается регистировать электрическую активность обоих нейронов. В качестве примера исследователи наблюдали с помощью транзистора эффект кратковременной памяти в системе из двух нейронов. Через несколько секунд после генерации последовательности из пяти стимулирующих импульсов с помощью конденсатора  ученые давали еще один стимулирующий импульс - и с помощью транзистора, так же как и в случае использования микроэлектродов, регистрировали отклик в нейроне LPeD1, "потенциал действия" (электрический сигнал, возникающий и распространяющийся по нервным сетям из-за изменения проницаемости мембран нейронов). Единичный стимулирующий импульс может вызвать в таком случае отклик в постсинаптическом нейроне (в случае, когда подается импульс без предварительной стимуляции, такого отклика нет, так как произошедшие под действием "предварительных" импульсов химические изменения в области синапса еще не успели сойти на нет, поэтому одного импульса хватает, чтобы вызвать достаточное для генерации электрического сигнала изменение проницаемости мембраны постсинаптического нейрона.

Исследователи надеются, что формирование двумерного массива транзисторов и конденсаторов и улучшение их характеристик, позволит работать с достаточно большими массивами нейронов.

1. R.Alexander Kaul, Naweed I.Syed, and Peter Fromherz. Phys.Rev.Lett., v.92, 038102 (2004).

Е.Онищенко