Ученым удалось создать синтетические биосовместимые нейроны
Команде из Оксфордского университета удалось создать синтетические биоинспирированные нейроны, полностью изготовленные из мягких и гибких биоматериалов, способные быстро передавать электрохимические сигналы на сантиметровые расстояния. Впервые созданные в лаборатории, эти искусственные клетки в один прекрасный день могут быть использованы для разработки синтетических тканей для восстановления органов или для лечения нейродегенеративных заболеваний.
Исследования искусственных нервных клеток идут полным ходом, и нескольким командам уже удалось создать синтетические нейроны, которые могут взаимодействовать с нервной системой человека. Эти нейроны, которые ведут себя аналогично биологическим нейронам, оказались весьма эффективными в экспериментальных исследованиях по оценке их способности принимать и передавать нервные импульсы. Эти инициативы основаны на электронных схемах и больше похожи на крошечные компьютерные чипы, чем на человеческие нейроны.
Синтетические нейроны, разработанные профессором Хаганом Бейли и его коллегами из Оксфордского университета, гораздо ближе к настоящим нейронам. Изготовленные из гидрогеля, они были разработаны с использованием открытого командой процесса, при котором водные капли могут быть соединены липидными бислоями, образуя сети; белковые поры в бислоях позволяют каплям общаться друг с другом и с окружающей средой.
Нейроны, реагирующие на свет
Нейроны - это клетки, которые передают нервные импульсы. Нервный импульс проходит от тела клетки по аксону к синапсу. Поэтому нейроны обладают двумя физиологическими свойствами: возбудимостью - способностью реагировать на раздражители и преобразовывать их в нервные импульсы - и проводимостью - способностью передавать импульсы. Синапс - это область контакта между двумя нейронами (или между нейроном и другой клеткой); когда нервные импульсы достигают его, он высвобождает химические соединения, называемые нейротрансмиттерами, для передачи информации соседней клетке.
Поэтому при конструировании искусственных нейронов важно воспроизвести возбудимость и проводимость биологических нейронов. Синтетические нейроны, предложенные командой Бэйли, состоят из водных капель (в нанолитрах) и гидрогелевых волокон, соединенных между собой липидными бислоями. Диаметр каждого нейрона составляет около 0,7 миллиметра, что примерно в 700 раз больше человеческого нейрона, диаметр которого варьируется от 5 до 120 мкм в зависимости от типа, а длина достигает 25 миллиметров.
Подобно естественным клеткам, эти синтетические нейроны выделяют нейротрансмиттеры из своих терминалов, которые запускают последующие реакции. Передача осуществляется на уровне липидного бислоя с помощью протонных насосов, приводимых в действие светом, и опосредуется ионпроводящими белковыми порами. На практике, как только нейрон подвергается воздействию света, белки начинают откачивать ионы водорода (H+) из клетки; эти ионы затем перемещаются по нейрону, перенося электрический сигнал. Как только они достигают конца нейрона, они переносят аденозинтрифосфат (АТФ) к близлежащей капельке воды.
Напомним, что в организме АТФ обеспечивает нейроны энергией, необходимой для перемещения синаптических везикул по аксонам (химическая энергия, обеспечиваемая АТФ, преобразуется в механическую энергию).
На пути к разработке нейронных имплантатов следующего поколения
Исследователи сообщают о чрезвычайно высокой скорости передачи данных - возможно, даже быстрее, чем обмены, наблюдаемые в реальных нейронах. Затем они попытались сгруппировать несколько нейронов параллельно друг другу, чтобы сформировать искусственный нерв. Они провели эксперимент с использованием семи нейронов, цель которого заключалась в одновременной передаче нескольких сигналов. "Объединив несколько нейронов в синтетический нерв, мы показали, что различные сигналы могут распространяться одновременно по параллельным аксонам, передавая таким образом пространственно-временную информацию", — пишут они в своей .
Бэйли считает, что эти активируемые светом синтетические нейроны могут быть использованы для одновременной доставки нескольких типов лекарств, например, для более быстрого лечения ран. В любом случае эти первые результаты очень обнадеживают: такие синтетические нервы могут сыграть свою роль в нейронных имплантатах (искусственная сетчатка глаза, кохлеарные имплантаты и т.д.), мягких роботах и вычислительных устройствах следующего поколения. В частности, они могут проложить путь к разработке неинвазивных интерфейсов "мозг-машина" и даже новых методов лечения нейродегенеративных заболеваний (болезни Альцгеймера, Паркинсона, Шарко и т.д.).
Но до этого остается несколько проблем. В частности, эта искусственная нервная система должна постоянно снабжаться нейротрансмиттерами, как в настоящей нейронной сети. Нейротрансмиттеры синтезируются в пресинаптическом элементе с помощью предшественников и специфических ферментов; затем они хранятся в везикулах, которые высвобождают в среднем от 1 000 до 2 000 этих молекул в синаптическое пространство каждый раз, когда приходит потенциал действия. Без этой способности искусственные нейроны, созданные в лаборатории Бэйли, могут функционировать в настоящее время только в течение нескольких часов.