Printtineuronit kommunikoivat elävien aivosolujen kanssa

Northwestern Universityn insinöörit tuottivat keinotekoisia neuroneja, jotka eivät ainoastaan matki aivoja – vaan ne myös kommunikoivat niiden kanssa.

Northwesternin tiimi kehitti joustavia ja edullisia rakenteita, jotka tuottavat sähköisiä signaaleja, jotka ovat riittävän realistisia aktivoimaan eläviä aivosoluja. Hiiren aivoista otetuilla kudosleikkeillä testattaessa keinotekoiset neuronit onnistuivat laukaisemaan vasteita oikeilta neuroneilta, mikä osoitti uuden tason bioyhteensopivuudelle.

Työ on askel kohti elektroniikkaa, joka voi kommunikoida suoraan hermoston kanssa, ja jolla on potentiaalisia sovelluksia aivojen ja koneiden rajapinnoissa ja neuroproteeseissa, mukaan lukien kuulo-, näkö- ja liikeimplantit.

Se luo pohjan myös tehokkaammille, aivojen kaltaisille laskentajärjestelmille. Matkimalla hermosolujen signaalien kulkua – aivojen keskeistä ominaisuutta, jotka ovat tunnetuista energiatehokkain tietokone – tulevaisuuden järjestelmät voisivat suorittaa monimutkaisia toimintoja huomattavasti pienemmällä energiatehokkuudella kuin nykyiset runsaasti dataa pyörittävät teknologiat.

Päästäkseen lähemmäksi biologista mallia Mark C. Hersamin tiimi kehitti keinotekoisia neuroneja käyttämällä pehmeitä, tulostettavia materiaaleja, jotka jäljittelevät paremmin aivojen rakennetta ja käyttäytymistä. Tämän edistysaskeleen selkäranka on sarja elektronisia musteita, jotka on valmistettu puolijohteena toimivan molybdeenidisulfidin (MoS2) nanomittakaavan hiutaleista ja sähkönjohtimena toimivasta grafeenista. Tutkijat kerrostivat nämä musteet joustaville polymeerialustoille käyttämällä aerosolisuihkutulostusta.

Aiemmin muut tutkijat pitivät musteiden stabiloivaa polymeeriä ongelmana, joka häiritsi sähkövirran kulkua, joten he polttivat polymeerin pois elektronisen piirin tulostamisen jälkeen. Mutta Hersam hyödynsi tätä pientä epätäydellisyyttä lisätäkseen rakenteeseensa aivojen kaltaisen toiminnallisuuden.

”Sen sijaan, että poistaisimme polymeerin kokonaan, hajotamme sen osittain”, hän sanoi. ”Sitten, kun johdamme virtaa laitteen läpi, hajotamme polymeeriä edelleen. Tämä hajoaminen tapahtuu paikallisesti epähomogeenisella tavalla, mikä johtaa johtavan säikeen muodostumiseen siten, että kaikki virta supistuu kapealle alueelle.”

Tästä kapeasta alueesta tulee paikallinen reitti, joka tuottaa äkillisen, neuronin kaltaisen sähköisen vasteen. Tuloksena on uudentyyppinen keinotekoinen neuroni, joka voi tuottaa laajan valikoiman sähköisiä signaaleja. Yksinkertaisten, kertaluonteisten pulssien sijaan uusi neuronirakenne tuottaa monimutkaisempia signaalikuvioita – mukaan lukien yksittäisiä piikkejä, jatkuvia pulsseja ja purskekuvioita – jotka muistuttavat oikeiden neuronien kommunikointia.

Tutkijoiden mukaan heidän saavutukset osoittavat printattujen nanosuikalerakenteisten memristiiviverkkojen olevan skaalautuva alusta biorealistisille neuromorfisille laitteistoille ja joustaville aivo-kone-rajapinnoille.

Aiheesta aiemmin:

Keinotekoiset neuronit toistavat biologista toimintaa

Tekoälyä monisensorisella integroidulla neuronilla

Ihmisen aivosoluilla toimiva tietokone?