Επιστήμονες
από τις ΗΠΑ και την Ευρώπη ανακοίνωσαν ότι δημιούργησαν, για πρώτη φορά, μία
βιοϋβριδική τεχνητή σύναψη εγκεφάλου που μπορεί να επικοινωνήσει με τα ζωντανά
εγκεφαλικά κύτταρα. Researchers have created a device that can integrate
and interact with neuron-like cells. This could be an early step toward an
artificial synapse for use in brain-computer interfaces.
A 2017 photo of
Alberto Salleo, associate professor of materials science and engineering, and
graduate student Scott Keene characterizing the electrochemical properties of a
previous artificial synapse design. Their latest artificial synapse is a
biohybrid device that integrates with living cells. Credit: L.A. Cicero/Stanford News Service
Το
2017, ερευνητές του Πανεπιστημίου Στάνφορντ της Καλιφόρνια είχαν παρουσιάσει
μία ηλεκτρονική συσκευή από οργανικά υλικά, η οποία αποτελούσε μία τεχνητή
μορφή σύναψης, δηλαδή του συνδέσμου ανάμεσα στα εγκεφαλικά κύτταρα (νευρώνες).
Το 2019, εννέα τέτοιες τεχνητές συνάψεις είχαν συνδυαστεί σε μία ενιαία διάταξη,
που μπορούσε να προγραμματιστεί από κοινού, ώστε να μιμείται την παράλληλη
λειτουργία του εγκεφάλου.
Τώρα,
οι ερευνητές του Στάνφορντ, σε συνεργασία με συναδέλφους τους από το Ιταλικό
Ινστιτούτο Τεχνολογίας και το ολλανδικό Πανεπιστήμιο του Αϊντχόβεν, οι οποίοι
έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό για νέα υλικά «Nature Matierals»,
έδειξαν ότι η πρώτη βιοϋβριδική τεχνητή σύναψη είναι δυνατό να δουλέψει σε
συνεργασία με πραγματικά ζωντανά κύτταρα και να επικοινωνήσει μαζί τους.
«Η μελέτη μας δείχνει τη μοναδική δύναμη των
νέων υλικών που μπορούν να αλληλεπιδρούν με τη ζώσα ύλη. Τα ζωντανά κύτταρα δεν
έχουν πρόβλημα να συνεργαστούν με το μαλακό πολυμερές υλικό της τεχνητής
σύναψης. Αλλά η συμβατότητα πηγαίνει ακόμη παραπέρα, καθώς τα νέα υλικά
εργάζονται με τα ίδια μόρια που οι νευρώνες χρησιμοποιούν στη φύση», δήλωσε ο
καθηγητής Επιστήμης και Μηχανικής των υλικών του Στάνφορντ, Αλμπέρτο Σαλέο.
Αυτό
έχει ως αποτέλεσμα ενώ άλλες νευρο-συσκευές να χρειάζονται αποκλειστικά ένα
ηλεκτρικό σήμα για να ανιχνεύσουν και να επεξεργαστούν τα μηνύματα του
εγκεφάλου, στην περίπτωση της νέας τεχνητής σύναψης η επικοινωνία της με τα
ζωντανά εγκεφαλικά κύτταρα γίνεται με πιο φυσικό τρόπο μέσω ηλεκτροχημείας,
καθώς το υβριδικό υλικό λαμβάνει μηνύματα από τα γειτονικά κύτταρα σαν να ήταν
νευρώνας και το ίδιο.
Η
τεχνητή σύναψη αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια από μαλακό πολυμερές υλικό,
διαχωρισμένα από ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη, το οποίο παίζει τον ρόλο του μικρού
κενού που διαχωρίζει δύο νευρώνες του εγκεφάλου. Ανάμεσα σε αυτό το κενό
ταξιδεύουν συνεχώς οι ουσίες νευροδιαβιβαστές (π.χ. ντοπαμίνη), ώστε να επιτυγχάνεται
η επικοινωνία μεταξύ των περιοχών του εγκεφάλου.
Όταν
ζωντανά εγκεφαλικά κύτταρα τοποθετούνται πάνω σε ένα από τα ηλεκτρόδια, οι
νευροδιαβιβαστές που απελευθερώνονται από τα εγκεφαλικά κύτταρα μπορούν να
αλληλεπιδράσουν με το ηλεκτρόδιο της τεχνητής σύναψης και να παράγουν ιόντα.
Όπως έδειξαν τα πειράματα με τρωκτικά (αρουραίους) που είχαν τέτοιες υβριδικές
συνάψεις ενσωματωμένες στον εγκέφαλό τους, αυτά τα ιόντα ταξιδεύουν στο δεύτερο
ηλεκτρόδιο και το τροποποιούν, όπως ακριβώς γίνεται η διαδικασία της μάθησης
στις βιολογικές συνάψεις του εγκεφάλου.
«Δείξαμε ότι είναι δυνατή η φυσική επικοινωνία
που εμπλέκει τόσο τη χημεία όσο και τον ηλεκτρισμό. Είναι το πρώτο μικρό βήμα
για μία πραγματική διεπαφή εγκεφάλου-μηχανής», ανέφερε ο δρ Σαλέο. Τέτοιες
διεπαφές μελλοντικά θα δοκιμαστούν στην ιατρική, τη νευροεπιστήμη και σε άλλα
πεδία.
Πηγές: Keene,
S.T., Lubrano, C., Kazemzadeh, S. et al. A biohybrid synapse with
neurotransmitter-mediated plasticity. Nat. Mater., 2020
DOI: 10.1038/s41563-020-0703-y - https://scitechdaily.com/artificial-synapse-that-works-with-living-cells-developed-at-stanford/ - https://www.amna.gr/home/article/466891/Dimiourgithike-i-proti-techniti-sunapsi-egkefalou-pou-epikoinonei-me-ta-zontana-kuttara
