Создан искусственный нерв на органическом транзисторе

В последние годы многие инженеры пытались разработать аппаратные компоненты, которые могли бы имитировать функции различных биологических систем, включая синапсы, кожу человека и нервы. К таким биоподобным системам относятся так называемые искусственные нервы — системы, предназначенные для имитации роли нервов в организме человека и других животных.

Искусственные нервы могут быть полезны в самых разных областях: от систем для восстановления повреждённых нервов до интерфейсов «мозг-компьютер», высокоточных датчиков и другой передовой электроники. Однако до сих пор разработка систем, вдохновлённых нервами, которые работают на биологически совместимых частотах и реалистично воспроизводят функции нервов, была сложной задачей.

Исследователи из Университета Сиань Цзяотун в Китае и Мюнхенского технического университета недавно разработали новый высокочастотный искусственный нерв с уникальной конструкцией, которая оптимизирует перенос ионов и электронов, а также быстро реагирует на сигналы и сохраняет информацию о заряде. Эта система, вдохновлённая нервами, представленная в статье, опубликованной в Nature Electronics, основана на однородно интегрированных органических электрохимических транзисторах.

«Органические электрохимические транзисторы N-типа являются возможным строительным блоком для искусственных нервов, поскольку их поведение при потенцировании, вызванном положительным потенциалом, может имитировать поведение биологических клеток», — написали Шицзе Ван, Ичан Ван и их коллеги в своей статье. «Однако эти устройства ограничены слабыми свойствами ионного и электронного переноса и хранения, что приводит к низкой производительности в условиях нестабильного и стабильного энергопотребления и, в частности, к медленному отклику. Мы описываем высокочастотный искусственный нерв на основе однородно интегрированных органических электрохимических транзисторов».

Искусственные нервы, разработанные этой группой исследователей, основаны на вертикальных органических электрохимических транзисторах n-типа, которые последовательно наносятся на подложку. Эти устройства могут имитировать работу рецепторов, синапсов и сомы в нервной системе человека, в конечном итоге создавая нервные цепи.

«Мы создали вертикальный органический электрохимический транзистор n-типа с градиентно-смешанной биконтинуальной структурой, которая одновременно улучшает ионный и электронный транспорт, а также хранение ионов», — написали Ван, Ван и их коллеги. «Транзистор демонстрирует нестабильную реакцию в 27 мкс, частоту энергонезависимой памяти 100 кГц и длительное время сохранения состояния».

Было обнаружено, что искусственные нервы, созданные в прошлом, превосходят другие в некоторых областях (например, ионный и электронный транспорт, долговременное хранение информации и т. д.), но в других областях показывают неоптимальные результаты. Напротив, было обнаружено, что система на основе органических транзисторов, созданная исследователями, обеспечивает как хороший ионный и электронный транспорт, так и долговременное хранение ионов, тем самым преодолевая ранее выявленные компромиссы.

«Наш интегрированный искусственный нерв, содержащий вертикальные органические электрохимические транзисторы n-типа и p-типа, обеспечивает функции восприятия, обработки и запоминания в высокочастотном диапазоне», — пишут исследователи. «Мы также показываем, что искусственный нерв может быть интегрирован в модели животных с нарушенными нейронными функциями и что он может имитировать базовое условное рефлекторное поведение».

Чтобы оценить потенциал своего искусственного нерва, исследователи имплантировали его мышам с нарушенными нервными функциями. Их первоначальные результаты были очень многообещающими, поскольку система оказалась совместимой с биологическими тканями мышей, а также эффективно имитировала условные рефлексы, поддерживаемые нервами.