Злиття людини та машини є втіленням наукової фантастики. У реальному житті перші кроки назустріч перетворення людей на кіборгів зроблено давно: ми маємо кардіостимулятори для лікування аритмії або кохлеарні імпланти для покращення слуху, а імплантати сітківки ока уже допомагають майже сліпим людям хоч трохи бачити.

Новий чіп може допомогти імплантатам сітківки ще краще злитися з людським тілом у майбутньому. Він заснований на провідних полімерах і світлочутливих молекулах, які можна використовувати для імітації сітківки ока разом із зоровими шляхами. Він був розроблений дослідницькою групою Франчески Санторо в Інституті біоелектроніки Юліха (IBI-3) у співпраці з Аахенським університетом RWTH, Італійським технологічним інститутом у Генуї та Неаполітанським університетом.

«Наш органічний напівпровідник розпізнає, скільки світла падає на нього. Щось подібне відбувається в нашому оці. Кількість світла, яке потрапляє на окремі фоторецептори, зрештою створює зображення в мозку», — пояснює Санторо, який є професором нейроелектронних інтерфейсів в університеті RWTH Aachen. а також запрошений дослідник в Istituto Italiano di Tecnologia.

Універсальний чіп

У чому особливість нового напівпровідника: він повністю складається з нетоксичних органічних компонентів, гнучкий і працює з іонами, тобто із зарядженими атомами чи молекулами. Таким чином, його можна інтегрувати в біологічні системи набагато краще, ніж звичайні напівпровідникові компоненти, виготовлені з кремнію, які є жорсткими і працюють лише з електронами.

«Клітини нашого тіла спеціально використовують іони для контролю певних процесів і обміну інформацією», — пояснює дослідник. Однак розробка поки що є лише «підтвердженням концепції», підкреслює вона. Матеріал був синтезований, а потім охарактеризований: «Ми змогли показати, що типові властивості сітківки можна імітувати з його допомогою», — каже вона.

Дослідники вже думають про інше можливе застосування: чіп також може функціонувати як штучний синапс, оскільки світлове опромінення змінює провідність полімеру, який використовується в короткостроковій і довгостроковій перспективі. Справжні синапси працюють подібним чином: передаючи електричні сигнали, вони змінюють свій розмір і ефективність. Для прикладу: така система є основою для навчання та пам’яті нашого мозку.

Санторо вже дивиться вперед: «У майбутніх експериментах ми хочемо поєднати компоненти з біологічними клітинами та з’єднати багато окремих разом».

Розуміння нейронів

Окрім штучної сітківки, команда Санторо розробляє інші підходи для біоелектронних чіпів, які можуть подібним чином взаємодіяти з людським тілом, зокрема з клітинами нервової системи. «З одного боку, ми намагаємося відтворити тривимірну структуру нервових клітин, а з іншого боку, ми також намагаємося відтворити їхні функції, наприклад, обробку та зберігання інформації».

Біополімери, які вони використовували в штучній сітківці, виявилися відповідним вихідним матеріалом для цього. “Ми можемо використовувати їх, щоб відтворити розгалужену структуру нервових клітин людини з їх численними дендритами. Ви можете уявити собі це на подобі дерева”, – пояснює вчений. Це важливо, оскільки справжні клітини віддають перевагу таким розгалуженим тривимірним структурам гладким поверхням і таким чином встановлюють тісний контакт зі штучними.

По-перше, різні біочіпи можна використовувати для вивчення реальних нейронів — наприклад, клітинного обміну інформацією. По-друге, Санторо та її команда сподіваються, що одного дня вони зможуть використовувати свої компоненти для активного втручання в комунікаційні шляхи клітин, щоб досягати певних ефектів.

Наприклад, Санторо думає про виправлення помилок в обробці та передачі інформації, які виникають при нейродегенеративних захворюваннях, таких як хвороба Паркінсона чи Альцгеймера, або про підтримку органів, які більше не функціонують належним чином. Крім того, такі компоненти можуть також служити інтерфейсом між протезами або суглобами.

Комп’ютерні технології також можуть принести користь. Завдяки своїм властивостям чіпи покликані служити обладнанням для штучних нейронних мереж. Поки що програми ШI все ще працюють з класичними процесорами, які не можуть адаптувати свою структуру. Вони просто імітують принцип роботи самонавчання змінюючи нейронні мережі за допомогою складного програмного забезпечення. Це дуже неефективно. Штучні нейрони можуть виправити цей попередній недолік. «Вони створили б комп’ютерну технологію, яка імітує роботу мозку на всіх рівнях», — каже Санторо

Оригінальне дослідження опубліковано в журналі Nature Communications 2 листопада 2023 року.