Нейроморфное протезирование мозга

Нейроморфные имплантаты представляют собой перспективное направление для сохранения и улучшения когнитивных функций за счёт замены частей мозга искусственными системами, разработанными для имитации поведения биологических нейронов. Этот подход может помочь справиться с возрастными изменениями мозга, которые, как предполагается, со временем могут приводить к снижению его функций и гибели даже при поддержке искусственного тела. Такие имплантаты должны воспроизводить сложную динамику биологических нейронов, включая их электрофизиологические свойства, синаптические связи и пластичность, чтобы seamlessly интегрироваться в нейронные сети мозга.

Одним из подходов является использование твердотельных нейронов, имитирующих сложную динамику биологических нейронов. В работе Abu-Hassan и соавторов (2019) были продемонстрированы нейроморфные микросхемы, настроенные на воспроизведение свойств ионных каналов гиппокампальных и респираторных нейронов. На основе параметров, рассчитанных из электрофизиологических записей, эти твердотельные нейроны имитируют внутриклеточные токи и мембранные потенциалы, реагируя почти идентично биологическим аналогам при различных стимулах. Этот метод создаёт платформу для разработки имплантатов, способных интегрироваться с биологическими обратными связями и восстанавливать повреждённые нейронные цепи (Nature Communications, 2019).

Органические электрохимические нейроны (c-OECNs), созданные из полимеров со смешанной ионно-электронной проводимостью, представляют ещё одно достижение в этой области. Harikesh и соавторы (2023) описали c-OECNs, которые имитируют ключевые характеристики биологических нейронов, включая активацию/инактивацию натриевых каналов и задержанную активацию калиевых каналов. Эти нейроны могут генерировать импульсы с биологически релевантной частотой (до 100 Гц) и реагировать на ионную модуляцию, например, нейротрансмиттеры или аминокислоты, что важно для их интеграции с биологическими системами. Эти биосовместимые материалы обладают значительными преимуществами перед традиционными кремниевыми технологиями в взаимодействии с живыми тканями и уже доказали свою способность стимулировать биологические нервы in vivo, создавая функциональную связь между искусственными и естественными нейронами (Nature Materials, 2023).

Мемристивные устройства также способствуют развитию нейроморфных систем, позволяя эффективно моделировать синаптическую пластичность, которая является основой обучения и памяти. Эти устройства используют изменения сопротивления для кодирования весов синапсов и обладают низким энергопотреблением, что делает их перспективным кандидатом для создания плотных нейронных сетей. Они обеспечивают гибкость в симуляции пластичности, зависящей от времени срабатывания импульсов, и других адаптивных поведений, важных для функциональности нейронных цепей.

Органические смешанные ионно-электронные проводники (OMIECs) предлагают ещё один подход к созданию биореалистичных нейроморфных систем. Эти материалы обеспечивают двустороннюю связь с биологическими нейронами в реальном времени и демонстрируют отличную стабильность и скорость, а также возможности ионной модуляции, имитирующие естественные нейронные процессы. OMIECs обладают потенциалом для использования в качестве интерфейсов, интегрирующих нейроморфные имплантаты с биологическими сетями, при этом сохраняя биосовместимость, необходимую для долгосрочного применения.

Несмотря на эти достижения, создание функциональных нейроморфных имплантатов остаётся чрезвычайно сложной задачей. Нейронные системы представляют собой высоко взаимосвязанные и динамичные сети, и воспроизведение их поведения на системном уровне требует значительного прогресса в области вычислительного моделирования, миниатюризации устройств и биосовместимого производства. Кроме того, вопрос о том, могут ли искусственные нейроны поддерживать или воспроизводить сознание, остаётся нерешённым, затрагивая фундаментальные философские и научные неопределённости.