Гибридный персональный компьютер, созданный из электронных и биологических компонентов. Для многих эта фраза будет ассоциироваться с фантастическими рассказами или фильмами. Однако, австралийская компания Cortical Labs в рамках своего проекта создает именно такой ПК.
Смысл – существенное снижение потребляемой энергии при хорошей функциональности компьютера. К примеру, наш мозг выполняет сложные вычислительные процессы с разнообразной информацией и тратит на это минимум энергии (энергия, которая нужна для работы мозга, примерно равняется от 10 до 25 ватт, чего может хватить для того, чтобы запитать не самую прожорливую лампочку, в то время, как продвинутые нейросети, типа AlphaGo, расходуют энергии в 50.000 раз больше).
Для достижения своих целей компания размещает на чипе либо нейроны из эмбрионов мышей, либо нейроны, выращенные из человеческих стволовых клеток. Авторы проекта считают, что подобные гибридные технологии позволят создать нейросети, которые будут гораздо быстрее обучаться.
Прототипы уже есть, ждем их испытаний. Подробнее можно почитать тут.
Но есть еще новости о связи нейронов и технологий. Хороший шаг в этой сфере сделали исследователи из Великобритании, Германии, Италии, и Швейцари. Им удалось связать в сеть три нейрона, причем два из них были искусственными, а сигнал между ними передавался через естественный! Гибридное мышление на подходе 😉
Напомню, что для создания импульса, который будет идти по нейрону, в синапсе (месте соединения отростков нейронов) на поверхности дендритов (отростков нейрона, принимающих сигнал) должен накопиться определенный заряд (который зависит от количества определенных веществ-нейротрансмиттеров, которые могут как повышать, так и понижать заряд). Заряд не будет достаточной силы – импульс не появится на нейроне.
Для воссоздания синапса использовали специальные элементы из сферы микроэлектроники – мемристоры которые также могут «накапливать» заряд и менять свое сопротивление при достижении определенного значения.
Такой гибридный синапс естественного и искусственного нейрона назвали синаптором.
Итак, реалии сегодняшнего дня, сеть:
кремниевый нейрон (интегральная схема из миллионов транзисторов) – мемристор – микроэлектрод – нейрон (полученный из гиппокампа мыши) – электрод, взаимодействующий с нейроном с помощью метода локальной фиксации потенциала/patch-clamp (вспомнить что это такое, можно в моем коротком видео о методиках изучения нервной системы) – мемристор — кремниевый нейрон (интегральная схема из миллионов транзисторов).
Плюс ко всему сигналы между естественными и искусственным нейронами передавали на значительном расстоянии с помощью интернета (кремниевые нейроны находились в Цюрихе, мемристоры — в Саутгемптоне, а культура мышиных нейронов — в итальянской Падуе). Как отмечают исследователи, эта технология может позволить компьютерам стать быстрее и энергоэффективнее.
Эксперименты выявили, что система в разных условиях ведет себя так, как ведут себя нормальные нейронные связи в гиппокампе мыши. Кто хочет ознакомиться с самой статьей об исследовании от его авторов – она тут.
Сегодня сеть из трех нейронов, в следующем году – из 30, глядишь, и к 2030 году появятся полноценные решения, соединяющие наши нервы с компьютерами.
И это еще не все прекрасные новости из сферы объединения клеток-тканей с технологиями, которые уже преподнес нам 2020й год. Обсудим нервные клетки, мышцы и 3D-печать.
Печатать мышечную ткань на 3D принтере человечество уже неплохо умеет. Но вот с пересадкой ее дела обстоят немного хуже, так как прорастание нервов в новую ткань происходило крайне медленно, она успевала атрофироваться. Решение проблемы – интегрировать нервные клетки в мышечную ткань прямо в процессе печати.
Но сколько должно быть таких клеток, чтобы и мышцы нормально сформировали волокна, и нервы могли стимулировать достаточный их объём. Путем экспериментов удалось выяснить, что на 300 мышечных клеток должна приходиться одна нервная клетка.
В эксперименте решили проверить, что будет с ногами мышек после удаления 40% мышц бедра и пересадки туда напечатанных мышечных тканей. Сформировали 4 группы подопытных животных:
- Контрольная группа – мышцы не удаляли. Правда и ноге не позволяли двигаться, мышцы стали немного атрофичными.
- Удаляли 40% тканей бедра и… все. Следили за естественным восстановлением. (напомню, новые мышечные клетки в организме сами практически не появляются, лишь компенсаторно увеличиваются/гипертрофируются те, которые есть)
- Пересадка мышц, полученных в результате прошлой методики 3D печати (без интеграции нервных клеток)
- Пересадка мышечной ткани с интегрированными нервными клетками.
Как не сложно предугадать, мыши, которым пересадили мышечную ткань с нервными клетками быстрее и лучше восстановили мышечную силу поврежденной ноги. Можете посмотреть графики восстановления мышечной силы групп мышей на 4й (серый столбик) и на 8 (белый) неделе. Пары столбиков соответствуют группам мышей (неповрежденные — без подсадки ткани — с подсадкой только мышц – с подсадкой мышц и нервных клеток).
Итак, восстановления функциональности (и это после удаления 40% мышц бедра!) нижней конечности на уровне немного атрофированной неповрежденной конечности удалось добиться за 8 недель! Очень впечатляющий результат. Подробно с исследованием можно ознакомиться тут.
