Презентация (2)

Инженеры из Университета Бата рассказали о создании «искусственного нейрона» — электронного устройства, которое, впервые в точности воспроизводит поведение настоящих нервных клеток человека.речь идет о типе этих клеток, которые встречаются в головном мозге и участвуют в регуляции дыхания и сердцебиения. Подразумевается что такие нейроны помогут в лечении Альцгеймера и др серьезных болезней.Сейчас подобные устройства полезны как интерфейсы между мозгом и компьютером и «протезы» для базовых функций организма.
Их главная задача — воспроизвести на микросхеме электрическую активность настоящих, живых клеток. Такую микросхему можно назвать симулятором — его работа никак не использует цифровой сигнал. Создание искусственных нейронов и методов их подключения к нервной системе могло бы сделать устройства медицины не только существенно «умнее», но и радикально снизить их электропотребление.
Некоторое представление о том, как это может выглядеть в ближайшем будущем, дает относительно недавний эксперимент на крысах, в котором с помощью специальной электронной схемы удалось воспроизвести взаимодействие между системой регуляции дыхания и сердцебиения животного. Искусственный нейрон из Университета Бата в этом смысле — огромный шаг вперед, и вот почему.

Основная сложность при создании искусственной нервной клетки состоит в специфическом характере нервного импульса. Чтобы живой нейрон смог принять сигнал от искусственного, сигнал должен быть строго определенного вида — на другие импульсы он просто не сможет правильно отреагировать. То же самое касается и передачи импульса в обратном направлении: он будет именно таким, каким его передаст мембрана нервной клетки, и искусственному нейрону нужно будет обработать его правильным образом.
Что же это за такой особенный характер нервного импульса, который так сложно воспроизвести в искусственной системе? Определяется он механизмом возбуждения на клеточной мембране. Как и в обычной электрической цепи, импульс зарождается, если подать в нужное место электрическое напряжение. В нервной клетке это приведет к тому, что изменится разность потенциалов между внешней и внутренней сторонами клеточной мембраны.
У невозбужденной клетки, которая не передает никаких сигналов, разность потенциалов между внутренней и внешней сторонами мембраны отрицательная . При возбуждении она сначала растет и становится положительной , после чего вновь падает в отрицательную область даже ниже начального уровня , а потом постепенно возвращается к исходному состоянию. Весь этот процесс у разных организмов может занимать от нескольких миллисекунд до нескольких секунд и полностью обеспечивается работой ионных каналов для натрия и калия, которые в нужное время открываются или закрываются, реагируя на изменение напряжения на мембране.После передачи импульса ионные каналы на мембране на какое-то время остаются неактивными, и клетка берет паузу в работе, готовясь передавать следующий сигнал.
Даже одиночный нейрон —сложное устройство.

Смоделировать такую сложную последовательность изменений в искусственной электрической системе совсем непросто. Впервые схему электрической цепи, предложили Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Хаксли еще в середине прошлого века. Они представили мембрану как электрическую цепь, состоящую из четырех параллельных элементов: первый моделирует саму мембрану как конденсатор, а остальные представляют собой модели трех независимых ионных каналов с переменной проводимостью: один канал для ионов калия, второй — для ионов натрия, третий — для всех остальных ионов .И именно эта модель, описывающая в явном виде работу ионных каналов, очень точно описала зависимость напряжения на мембране нейрона от времени.

Точность и миниатюрность — главное в новом кремниевом нейроне
Точность и миниатюрность — главное в новом кремниевом нейроне
Модель Ходжкина и Хаксли прекрасно работает в теории и как модельная электрическая схема в экспериментах, но использовать ее в качестве основы для прототипов нейроимплантатов никогда не удавалось.
Подавляющее большинство искусственных нейронов, синапсов и нейронных сетей пытались смоделировать общую структуру нервной системы, но практически никогда не пытались воссоздать характер нервного импульса. новые элементы должны воспроизводить электрический сигнал как можно ближе к естественному. ученым под руководством Алена Ногаре удалось придумать схему электрической цепи, которая может служить полным аналогом нервной клетки и в точности воспроизводит реакцию на различные внешние стимулы. Транзисторы в этой схеме не требуют больших мощностей для работы, а законы изменения проводимости модельных ионных каналов полностью моделируют поведение мембраны настоящей нервной клетки.
Пока такой искусственный нейрон представляет собой микросхему на кремниевом чипе, зато он прошел серьезную трехстадийную проверку на пригодность. Первые два этапа проверки носили скорее методологический характер: сначала авторы работы проверили, насколько микросхема соответствует новой теоретической модели и классической модели Ходжкина-Хаксли. Оказалось, что для трехканальной системы точность работы искусственного нейрона превосходит 96%.

Третий этап проверки состоял в моделированиинастоящих нейронов: пирамидальных клеток гиппокампа и нейронов дыхательного центра крысы. Для этих клеток хорошо изучены характеристики ионных каналов: их типы, количество, соотношение и пространственное расположение. Оказалось, что для обоих типов клеток можно сделать точные искусственные аналоги, если использовать шесть типов модельных ионных каналов и правильно задать правила их работы. Для оценки работоспособности нейронов биофизики «скормили» им 60 различных последовательностей электрических сигналов и сравнили с известными экспериментальными данными. Точность воспроизведения импульсов составила от 94% до 97%.
Такая точность при воспроизведении работы настоящих нервных клеток впечатляет и заставляет верить в неизбежное наступление эпохи биоэлектронной медицины.
Во-первых, так и не снят вопрос имплантации: такой нейрон удалось сделать только на чипе.. Во-вторых, неизбежно возникнет проблема создания искусственных синапсов — соединений нескольких элементов. Ведь именно за счет них электрический импульс должен передаваться от искусственной клетки к живой и именно за счет них сигнал по цепочке нейронов идет только в нужном направлении. Работы над этим ведутся уже давно, но создание первого полноценного искусственного нейрона, безусловно, эти исследования сильно ускорит.
Эндрю Филдинг Хаксли