В середине XX века появились первые математические модели реальных нервных сетей. В настоящее время целями такого моделирования предполагается совершенствование искусственного интеллекта или углубление понимания работы биологических нервных систем. Кроме того, сейчас мы видим целый ряд искусственных твердотельных элементов, пригодных при реализации уже и физических моделей. Они позволяют качественно воспроизводить характеристики как целых биологических нейронов, так и их частей. С развитием техники возник и вопрос о сопряжении биологических нервных систем с искусственными нейроподобными элементами.

Работа, представленная в статье, опирается на конструирование связи между реальными нейроподобными клетками, секретирующими дофамин, и нейроподобными искусственными элементами. Авторы позиционируют её как шаг на пути к реальному нейронному протезированию:

«… желательно создать аппаратные искусственные нейронные сети, которые могут как напрямую взаимодействовать с живой тканью, так и адаптироваться на основе биологической обратной связи…»

Авторы поставили себе конкретную задачу: добиться реализации правила Хебба на гибридной модельной системе, которая содержит искусственный постсинапс и реальную нейроподобную клетку. Правило Хебба предполагает, что активация связанных синапсом нейронов модифицирует эту связь только в случае одновременной активации этих двух клеток. Авторы создали физическую модель, где реальная клетка контактирует с искусственным нейроподобным элементом. В статье демонстрируются долговременные изменения искусственного «постсинапса» при одновременной активности его самого и сопряженного с ним синапс-подобного соединения реальной клетки, т.е. «пресинапса». Вместе с тем, такие изменения не происходят, если «пресинапс» и «постсинапс» этой гибридной системы активируются отдельно. Таким образом, авторы реализуют известный для живых систем принцип Хебба в условиях искусственной гибридной конструкции.

Работы по конструированию нейроподобных устройств можно поделить на две большие группы. Одна из них ориентируется на средние свойства больших групп реальных нейронов (например, слои), другая концентрируется на свойствах, присущих каждому нейрону в отдельности (например, связь двух отдельных нейронов). Так как и в том, и в другом случае конструирование опирается на свойства реальных нейронов, их базовые нейрофизиологические свойства предполагаются к воплощению во всех искусственных конструкциях. Эти же базовые свойства должны учитываться и при сопряжении искусственных твердотельных элементов с реальными биологическими клетками.

Не позже 1984 года был разработан модельный усилительный микроэлемент, который реагировал на токи, протекающие в окружающем его растворе. В настоящее время этот миниатюрный усилитель доработан и обладает не только повышенной чувствительностью к входным токам, но также модифицирует свои свойства при воздействии на него специфических биологических веществ. Именно этот микроэлемент был выбран авторами в качестве основы экспериментов статьи.

С точки зрения схемотехники такой усилитель – аналог полевого транзистора.

У него есть два контакта для входа и выхода тока (исток и сток), а также третий контакт – затвор, расположенный вблизи первых двух. Между контактами – область канала со специальным полупроводниковым полимером р-типа (PEDOT:PSS, polyethylenedioxythiophene: poly styrene sulfonate)) (см.рис.1b,c). Этот полимер обладает специальными свойствами. Во-первых, при подаче напряжения на контакты входа и выхода ток между этими контактами будет определяться потенциалом контакта затвора. Так, проводимость канала PEDOT:PSS падает, когда появляются свободные положительные заряды в толще пленки под действием потенциала затвора. Это происходит из-за того, что эти заряды заполняют «свободные» места перемещения в полупроводнике, что и приводит к уменьшению проводимости канала, в конечном итоге. Во-вторых, проводимость PEDOT:PSS в канале меняется в присутствии медиатора дофамина. Это происходит потому, что дофамин окисляется при появлении достаточного потенциала на затворе, и свободные заряды, которые появляются в этом процессе, также меняют проводимость PEDOT:PSS. В последнем случае процесс изменения проводимости необратим, т.е. связанные заряды остаются в PEDOT:PSS канала после окончания всех внешних воздействий.

Авторы добавляют слой реальных нейроподобных клеток поверх всей конструкции (катехоламинсодержащая клеточная линия, pheochromocytoma, PC-12). Эти клетки много меньше размеров канала и затвора и они образуют плотный контакт с поверхностью PEDOT:PSS на затворе, канале и рядом. При деполяризации РС -12 выделяют дофамин. Так же в эксперименте организован микропоток раствора вблизи затвора и канала. Это позволило оценить влияние экзогенного дофамина на элементы системы, а также смоделировать активность «постсинапса» в отсутствие биологических клеток.

Рис.1 Конструкция и характеристики дофамин-опосредованного органического нейроморфного устройства.
a,b) Схематическое сравнение биологического синапса (a) и нейромедиатор-опосредованного нейроморфного устройства (b). Окисление дофамина (розовые сферы) до дофамина о-хинона (зеленые сферы) на электроде постсинаптического затвора контролирует изменение проводимости постсинаптического канала.
c) Схема, показывающая массив нейроморфных устройств с микрофлюидными каналами, используемыми для потока дофамина.
d) Вставка, показывающая флуоресцентное изображение клеток РС-12, соединенных с отдельным (элементом) устройства.
e) Кратковременная и долговременная модуляция постсинаптической проводимости (Gpost) в потоке дофамина (при отсутствии клеток), достигаемая с помощью импульсов напряжения на постсинаптических затворах (Vpost = +0,3В, tpost = 2с). Gpost измеряли с использованием напряжения исток-сток = –0,1В.

Авторы исследовали работу гибридной конструкции в разных режимах.

В отсутствии экзогенного дофамина (а также биологических клеток) конструкцию микроусилителя можно рассматривать как искусственный постсинапс, на который приходит сигнал (импульс на затворе – сигнал в «постсинапсе»). Это приводит к изменению проводимости канала и, как следствие, тока выхода. В отсутствии внешних воздействий работа устройства неизменна во времени и представляет собой аналог мембраны постсинапса реальной клетки. При появлении дофамина в системе «постсинапс» начинает работать по-другому. По мысли авторов, связывание дофамина с PEDOT:PSS в канале сходно со связыванием медиатора с рецептором реального постсинапса, а изменение проводимости канала – аналог изменения веса связи биологического постсинапса. Дофамин приводит как к смещению потенциала затвора, так и к смещению проводимости канала. При импульсе на затворе меняется само напряжение смещения в присутствии дофамина (что не зависит от концентрации), а также происходит более медленное окисление дофамина в PEDOT:PSS канала. То есть, сам дофамин меняет проводимость «постсинапса» только во время прохождения импульса (это быстрая и сильная обратимая реакция), а окисление дофамина меняет проводимость PEDOT:PSS у затвора и в канале (это долгая и слабая необратимая реакция). Все последующие импульсы затвора на «постсинапсе» будут проходиться на уже измененный предшествующими импульсами канал (т.е. при измененном «весе» «постсинапса») (рис.1е).

Авторы исследовали работу гибридной схемы как при действии экзогенного дофамина, так и при стимуляции высаженных на поверхность устройства дофамин синтезирующих клеток. Как экзогенный, так и появляющийся при стимуляции клеток дофамин работал сходно с модуляцией нейронной передачи в реальных биологических системах. Принцип Хебба выполнялся для искусственного твердотельного «постсинапса» как в присутствии экзогенного дофамина, так и в нередуцированной схеме, т.е. со слоем нейроподобных клеток. При активировании клеток этого слоя (они – аналог «пресинапса») и при одновременной активности на «постсинапсе» (импульсы затвора) удавалось достичь долговременного, многочасового изменения «веса» «постсинапса» (изменения проводимости канала).

Стоит отметить, что в гибриде происходит долговременное ослабление «веса» «постсинапса», хотя при совместной активности «пресинапса» и «постсинапса» логично было бы ожидать усиления «веса» связи между элементами. Вместе с тем, как раз в условиях гибридной модели, полученный эффект достаточно легко можно инвертировать. Если добавить еще одно «синаптическое» звено, используя твердотельную элементную базу искусственной части гибрида, то можно реализовать именно усиление «веса».

Исследованный авторами гибрид представляет собой элемент памяти, который не часто встречается в моделях такого рода. Например, более технологичные твердотельные элементы памяти, мемристоры, пока претендуют только на отдаленное сходство с молекулярными машинами реальных биологических процессов. Авторы даже попытались (не без успеха) организовать грубую имитацию цепи рециклинга дофамина, подбирая плотность клеток и скорость протока в системе. Вместе с тем, пока «элементная база» для создания гибридов, подобных представленному в статье, далека от совершенства. Кроме того, вопрос сопряжения искусственных и реальных биологических систем пока решается более за счет лабильности и «подстройки» биологической системы под достаточно грубо сделанные «протезы». Проектирование же интерфейсов с точными связями - дело будущего. Реализовать такой интерфейс даже для сопряжения с «естественными» входами мозга (т.е. с путями афферентации) пока не удается.

Новость подготовил © Чистопольский И.А.

30.06.2020