الخلايا العصبية الاصطناعية تسد الفجوة الإلكترونية الحيوية

البكتيريا يقلل الكبريتات الجيولوجية جاء من بدايات متواضعة. لقد تم عزلها لأول مرة من الأوساخ في خندق في نورمان، أوكلا، ولكن الآن، أصبحت الميكروبات الرائعة بشكل مدهش هي المفتاح لأول خلايا عصبية اصطناعية على الإطلاق يمكنها التفاعل مباشرة مع الخلايا الحية.

ال G. يقلل الكبريت تتواصل الميكروبات مع بعضها البعض من خلال أسلاك صغيرة تعتمد على البروتين، والتي قام باحثون في جامعة ماساتشوستس أمهيرست بحصدها واستخدامها لصنع خلايا عصبية اصطناعية. ويقول الباحثون إن هذه الخلايا العصبية يمكنها، لأول مرة، معالجة المعلومات من الخلايا الحية دون استخدام جهاز وسيط لتضخيم الإشارات أو تعديلها.

في حين أن بعض الخلايا العصبية الاصطناعية موجودة بالفعل، إلا أنها تتطلب تضخيمًا إلكترونيًا لاستشعار الإشارات التي تنتجها أجسامنا، كما يوضح جون ياو، الذي يعمل في مجال الإلكترونيات الحيوية والإلكترونيات النانوية في جامعة ماساتشوستس أمهيرست. يؤدي التضخيم إلى تضخيم استخدام الطاقة وتعقيد الدوائر، وبالتالي يتعارض مع الكفاءات الموجودة في الدماغ.

يمكن للخلية العصبية التي أنشأها فريق ياو فهم إشارات الجسم بسعتها الطبيعية التي تبلغ حوالي 0.1 فولت. يقول بوزي تيان، عالم الفيزياء الحيوية الذي يدرس الإلكترونيات الحيوية الحية في جامعة شيكاغو، ولم يشارك في هذا العمل، إن هذا “جديد للغاية”. هذا العمل “يسد الفجوة الطويلة الأمد بين الإشارات الإلكترونية والبيولوجية” ويوضح التفاعل بين الخلايا العصبية الاصطناعية والخلايا الحية الذي وصفه تيان بأنه “غير مسبوق”.

الخلايا العصبية الحقيقية والخلايا العصبية الاصطناعية

الخلايا العصبية البيولوجية هي اللبنات الأساسية للدماغ. إذا كانت المحفزات الخارجية قوية بما فيه الكفاية، فإن الشحنة تتراكم في الخلية العصبية، مما يؤدي إلى حدوث فعل محتمل، وهو ارتفاع كبير في الجهد الكهربي الذي ينتقل عبر جسم الخلية العصبية لتمكين جميع أنواع وظائف الجسم، بما في ذلك العاطفة والحركة.

لقد عمل العلماء على هندسة خلية عصبية اصطناعية لعقود من الزمن، سعياً وراء كفاءة الدماغ البشري، الذي بدا حتى الآن وكأنه يفلت من قدرات الإلكترونيات.

صممت مجموعة ياو خلايا عصبية اصطناعية جديدة تحاكي كيفية استشعار الخلايا العصبية البيولوجية للإشارات الكهربائية والتفاعل معها. ويستخدمون أجهزة استشعار لمراقبة التغيرات البيوكيميائية الخارجية والميمريستورات – وهي في الأساس مقاومات ذات ذاكرة – لمحاكاة عملية الفعل المحتملة.

مع زيادة الجهد الناتج عن الأحداث البيوكيميائية الخارجية، تتراكم الأيونات وتبدأ في تشكيل خيوط عبر فجوة في الممرستور، والتي كانت في هذه الحالة مملوءة بأسلاك بروتينية نانوية. إذا كان هناك ما يكفي من الجهد، فإن الفتيل يسد الفجوة تمامًا. يطلق التيار من خلال الجهاز ثم يذوب الفتيل، مما يؤدي إلى تشتيت الأيونات وإيقاف التيار. تحاكي العملية الكاملة إمكانات عمل الخلايا العصبية.

اختبر الفريق الخلايا العصبية الاصطناعية عن طريق ربطها بأنسجة القلب. قامت الأجهزة بقياس كمية أساسية من الانكماش الخلوي، والتي لم تنتج إشارة كافية لتحفيز الخلايا العصبية الاصطناعية. ثم أجرى الباحثون قياسًا آخر بعد إعطاء الأنسجة جرعة من النورإبينفرين، وهو دواء يزيد من عدد مرات انقباض الخلايا. ولم تطلق الخلايا العصبية الاصطناعية إمكانات الفعل إلا أثناء التجربة العلاجية، مما يثبت قدرتها على اكتشاف التغيرات في الخلايا الحية.

تم نشر النتائج التجريبية في 29 سبتمبر اتصالات الطبيعة.

أسلاك نانوية طبيعية

المجموعة لديها G. يقلل الكبريت لأشكر هذا الاختراق.

تقوم الميكروبات بتصنيع كابلات صغيرة، تسمى أسلاك البروتين النانوية، والتي تستخدمها للتواصل بين الأنواع. هذه الكابلات عبارة عن موصلات شحن تعيش لفترات طويلة في البرية دون أن تتحلل. (تذكر أنها تطورت من أجل خنادق أوكلاهوما). ويقول ياو إنها مستقرة للغاية، حتى بالنسبة لتصنيع الأجهزة.

بالنسبة للمهندسين، فإن الخاصية الأكثر بروزًا للأسلاك النانوية هي مدى كفاءة حركة الأيونات عبرها. توفر الأسلاك النانوية وسيلة منخفضة الطاقة لنقل الشحنة بين الخلايا البشرية والخلايا العصبية الاصطناعية، وبالتالي تجنب الحاجة إلى مضخم أو مُعدِّل منفصل. يقول ياو: “ومن المثير للدهشة أن المادة مصممة لهذا الغرض”.

وطورت المجموعة طريقة لقص الكابلات عن الأجسام البكتيرية، وتنقية المادة وتعليقها في محلول. قام الفريق بوضع الخليط وترك الماء يتبخر، تاركًا طبقة رقيقة مكونة من جزيء واحد مصنوعة من مادة البروتين النانوية.

تسمح هذه الكفاءة للخلية العصبية الاصطناعية بتحقيق وفورات هائلة في الطاقة. قامت مجموعة ياو بدمج الفيلم في الممرستور الموجود في قلب الخلية العصبية، مما أدى إلى خفض حاجز الطاقة للتفاعل الذي يتسبب في استجابة الممرستور للإشارات التي يتعرف عليها المستشعر. ويقول الباحثون إنه مع هذا الابتكار، تستخدم الخلايا العصبية الاصطناعية عُشر الجهد الكهربي و1/100 من قوة الخلايا العصبية الأخرى.

ويعتقد تيان من شيكاغو أن كفاءة استخدام الطاقة “المثيرة للإعجاب للغاية” هذه “ضرورية لأنظمة الحوسبة المستقبلية المنخفضة الطاقة والقابلة للزرع والمتكاملة حيوياً”.

يقول الباحثون إن مزايا الطاقة تجعل تصميم الخلايا العصبية الاصطناعية هذا جذابًا لجميع أنواع التطبيقات.

يقول تيان إن الإلكترونيات القابلة للارتداء سريعة الاستجابة، مثل الأطراف الصناعية التي تتكيف مع المحفزات من الجسم، يمكن أن تستفيد من هذه الخلايا العصبية الاصطناعية الجديدة. في نهاية المطاف، يمكن للأنظمة القابلة للزرع التي تعتمد على الخلايا العصبية أن “تتعلم مثل الأنسجة الحية، وتطور الطب الشخصي والحوسبة المستوحاة من الدماغ” من أجل “تفسير الحالات الفسيولوجية، مما يؤدي إلى شبكات بيولوجية هجينة تدمج الإلكترونيات مع الذكاء الحي”، كما يقول.

يمكن أن تكون الخلايا العصبية الاصطناعية مفيدة أيضًا في مجال الإلكترونيات خارج مجال الطب الحيوي. يقول ياو إن الملايين منها على الشريحة يمكن أن تحل محل الترانزستورات، وتكمل نفس المهام مع تقليل استخدام الطاقة. ويقول إن عملية تصنيع الخلايا العصبية لا تنطوي على درجات حرارة عالية وتستخدم نفس النوع من الطباعة الحجرية الضوئية التي يستخدمها مصنعو شرائح السيليكون.

ومع ذلك، يشير ياو إلى معوقين محتملين قد يواجههما المنتجون عند توسيع نطاق هذه الخلايا العصبية الاصطناعية لاستخدامها في مجال الإلكترونيات. الأول هو الحصول على المزيد من أسلاك البروتين النانوية منها G. يقلل الكبريت. يعمل مختبره حاليًا لمدة ثلاثة أيام لإنتاج 100 ميكروجرام فقط من المادة، أي ما يعادل كتلة حبة واحدة من ملح الطعام. ولا يمكن لهذه الكمية أن تغطي سوى جهاز صغير جدًا، لذا يتساءل ياو عن كيفية توسيع نطاق هذه الخطوة في العملية من أجل الإنتاج.

اهتمامه الآخر هو كيفية تحقيق طلاء موحد للفيلم على نطاق رقاقة السيليكون. ويوضح قائلاً: “إذا أردت صنع أجهزة صغيرة عالية الكثافة، فإن تجانس سماكة الفيلم يعد في الواقع عاملاً حاسماً”. لكن الخلايا العصبية الاصطناعية التي طورتها مجموعته أصغر من أن تتمكن من إجراء أي اختبار تجانس ذي معنى في الوقت الحالي.

لا يتوقع تيان أن تحل الخلايا العصبية الاصطناعية محل ترانزستورات السيليكون في الحوسبة التقليدية، ولكنه بدلاً من ذلك يراها بمثابة عرض موازٍ لـ “رقائق هجينة تدمج القدرة على التكيف البيولوجي مع الدقة الإلكترونية”، كما يقول.

وفي المستقبل البعيد، يأمل ياو أن يتم تقدير هذه الأجهزة المشتقة بيولوجيًا أيضًا لعدم مساهمتها في النفايات الإلكترونية. عندما لا يرغب المستخدم في الحصول على جهاز، يمكنه ببساطة التخلص من المكون البيولوجي في البيئة المحيطة، كما يقول ياو، لأنه لن يسبب أي خطر بيئي.

يقول ياو: “باستخدام هذا النوع من المواد الميكروبية المشتقة من الطبيعة، يمكننا إنشاء تكنولوجيا صديقة للبيئة وأكثر استدامة للعالم”.