Живая электроника

Роза-киборг, искусственный нейрон и другие гибриды живых существ и машин

Устройства органической биоэлектроники преобразуют биологические сигналы в электрические токи. Изображение: Seamartini Graphics/Shutterstock

Ученые мечтают превратить растения и животных в своеобразных киборгов, которые будут транслировать свое состояние в сеть и дистанционно управляться электрическими сигналами. Роза с транзистором, искусственный нейрон и точечное лечение боли — «Чердак» разобрался, что уже получилось в области органической биоэлектроники.

Все живые организмы суть немного роботы или компьютеры. Только вместо привычного электричества — электронов, бегущих по проводам в розетку и обратно — нами управляют нервные импульсы, потоки заряженных молекул, называемых ионами. А на кнопки в живых электрических схемах нажимают не пальцы, а особые вещества — нейромедиаторы. Когда их концентрация превышает определенный предел, в клеточных мембранах нейронов начинается цепочка биохимических реакций, которая заканчивается возбуждением нервного импульса.

Сейчас ученые стараются «поженить» компьютеры внутри нас с привычными кремниевыми микросхемами: интерфейсы «мозг-компьютер» уже умеют распознавать активности нервных клеток и преобразовывать их в осмысленные команды для электроники. Так, используя только силу мысли, можно играть в простенькие игры, двигать роботизированным протезом руки или даже управлять квадрокоптером. Однако все эти устройства пока еще грешат ошибками и неточностями — все же скрестить в одном устройстве электронные и ионные токи непросто.

«Переводчиками» с языка живого на язык микросхем могут стать электропроводящие полимеры, которые могут проводить одновременно оба типа тока. Открытые в 70-х годах прошлого века, эти материалы активно исследовались многими учеными. На основе электропроводящих полимеров и других материалов органической электроники уже вовсю создают транзисторы, солнечные батареи и органические светоизлучающие диоды (OLED). Правда, во всех этих устройствах почти не важна ионная проводимость или тем более биосовместимость. Эти преимущества электропроводящих полимеров использует органическая биоэлектроника (термин впервые введен в обзоре 2007 года) — совсем молодая область материаловедения, которой, однако, уже есть чем похвалиться.

Диагностика изнутри

Работа многих интерфейсов «мозг-компьютер» завязана на снятии ЭЭГ: на голове у людей закрепляют шапочку с электродами, в которых под действием ионных токов, протекающих в головном мозге, возникают свои собственные электронные токи. В работе 2013 года ученые из Франции предложили для тех же целей использовать органические электрохимические транзисторы.

Обычные полупроводниковые транзисторы — это основные компоненты всех электрических логических схем, своеобразные электронные кнопки с тремя контактами. Большим током, протекающим в них от одного контакта к другому, можно управлять с помощью небольшого сигнала (тока или напряжения), который подается на третий контакт. Собирая много транзисторов в одной схеме, можно как угодно усиливать, ослаблять и преобразовывать электрические сигналы или, говоря другими словами, обрабатывать информацию.

Похожим образом работают и органические транзисторы, с помощью которых исследователи записывали эпилептическую активность у живых лабораторных мышей. Тот самый третий управляющий контакт ввели в мозг грызунов, и даже небольшие характерные изменения ионных токов в мозгу полученного «киборга» приводили к заметным перепадам тока, текущего от входного контакта транзистора к выходному (вместе с колебаниями электрической активности мозга полимер менял свою структуру и, как следствие, проводимость).

В своем эксперименте французы показали, что разрешение этого метода лучше, чем при использовании стандартных металлических электродов, то есть органические транзисторы позволяют фиксировать электрическую активность мозга заметно точнее.


Кроме того, устройства на основе полимеров биосовместимы, то есть не вызывают иммунного ответа организма, и гораздо легче, чем металл, принимают различные формы. Поэтому в лабораторных условиях органические транзисторы все чаще используют для детектирования различных биомолекул и снятия не только ЭЭГ но еще и, например, ЭКГ.

Пластиковые нейроны

Сегодня неврологические, психиатрические и когнитивные заболевания лечат в основном с помощью лекарств, но подобрать их дозировку, а самое главное, точно доставить препарат в нужное место всегда очень сложно, поэтому медикаментозное лечение часто сопровождается побочными действиями. Большой коллектив шведских ученых из нескольких институтов предложил решать эти проблемы с помощью все тех же электропроводящих полимеров, а точнее с помощью еще одного устройства органической биоэлектроники — органического электронного ионного насоса, способного перекачивать ионы из одной среды в другую.

В своей работе исследователи изучали лабораторных крыс, у которых они сначала вызывали нейропатическую боль (ее причина не внешний раздражитель, а нарушенная работа самих нейронов), а потом лечили ее с помощью точечного введения нейромедиатора ГАМК (гамма-аминомасляная кислота), который снижает раздражение центральной нервной системы. Миниатюрный органический насос (около 12 см в длину и диаметром 6 мм) вводили в спинной мозг крыс, а его резервуар был наполнен ГАМК. С подачей внешнего электрического напряжения молекулы ГАМК начинали выходить по четырем ионпроводящим полимерным каналам в межклеточное пространство. В результате у крыс исчезала боль и не наблюдалось никаких побочных эффектов, ведь доза лекарственного вещества была строго необходимой. При использовании всех остальных методов лечения нейропатической боли при помощи ГАМК препарат вводится в спинной мозг в большой дозе, которая распределяется по нервной системе и помимо угнетения нервной деятельности целевых клеток оказывает много лишних и ненужных действий.

В Швеции ученые сделали первый искусственный нейрон, способный обмениваться информацией с живыми нервными клетками. Изображение: vitstudio/shutterstock


Параллельно с этой работой та же группа исследователей сделала первый искусственный нейрон на основе полимеров. В нем ионный насос совместили с биосенсором, чувствительным к другому нейромедиатору — глутаминовой кислоте, которая стимулирует передачу электрических импульсов в местах контактов нейронов. Когда концентрация глутаминовой кислоты в среде превышала определенный порог, в устройстве возбуждался электрический ток, который открывал резервуар ионного насоса с еще одним нейромедиатором под названием ацетилхолин — благодаря ему нервные импульсы передаются от нервных клеток к мышечным. Работа искусственного нейрона очень похожа на то, как функционируют настоящие: нервный импульс возбуждается в одном из них и бежит через всю клетку к месту контакта с другим нейроном, там выделяется глутаминовая кислота, которая как бы нажимает кнопку и возбуждает следующий нейрон. Так, по цепочке нейронов, импульс добегает до мышечной клетки, которая уже возбуждается не глутаминовой кислотой, а ацетилхолином. Созданный шведами пластиковый нейрон вполне может повторять эти действия и обмениваться сигналами с настоящими нервными клетками.

От электронных роз до самой зеленой энергии

Исследования на зверях вроде тех, что упомянуты выше, нужно согласовывать с комиссиями по этике, а потому самые смелые эксперименты в органической биоэлектронике легче ставить на растениях. Так, в конце 2015 года все та же шведская группа сделала первую розу-киборга. Правда, ничего особенного она пока не умеет — ни раскрываться по нажатию кнопки на пульте управления, ни менять свой цвет в зависимости от влажности среды, ни захватывать мир, но кое-что интересное у исследователей все-таки получилось.

В первом эксперименте срезанную розу ставили в воду с растворенным электропроводящим полимером, который поднимался по черенку и формировал в розе проводящий канал. Дальше ученые подводили к его концам электрические контакты и вводили в черенок управляющий электрод — золотую проволоку, покрытую проводящим полимером. Так внутри розы собирался своеобразный органический транзистор. При этом к одному каналу можно было подвести сразу несколько управляющих электродов и сделать простейшую логическую схему, по которой ток течет только при подаче определенных управляющих напряжений на обе золотые проволоки.

Изображение: Pixeljoy/shutterstock


Во втором опыте в листья розы при помощи шприца накачивали водный раствор уже немного другого электропроводящего полимера, который умеет менять цвет при подаче внешнего напряжения. К листу опять подводили электроды, включали ток и — вуаля: прожилки листочка обретали синевато-зеленый оттенок. Это закаченный в них полимер превращался из бесцветного в голубой. При этом, когда напряжение снимали, лист снова становился здорового зеленого цвета.

Так ученые показали, что с помощью несложной техники внутри растений можно создать простые электронные схемы. В перспективе это позволит управлять их физиологией и, например, добиваться повышения урожайности без генных модификаций или даже делать крошечные электростанции на энергии фотосинтеза.

Биоэлектронное будущее

Первые эксперименты показали, что устройства органической биоэлектроники вполне могут принимать, передавать и обрабатывать биоэлектрические сигналы. Что дальше? Сейчас полимерные материалы научились делать биосовместимыми и биодеградируемыми, а потому чипами на их основе можно буквально напичкать любой живой организм. По словам ученых, останется только научить их беспроводной передаче информации, и внутри человеческого тела можно будет, например, создать локальную сеть сенсоров, постоянно следящих за различными медицинскими показателями вроде уровня глюкозы, сердечного ритма и электрической активности избранных нейронов. Если же мысль стать таким киборгом вам совсем не по душе, можно будет просто проглотить таблетку со встроенной гибкой микросхемой — по кислотности, температуре и концентрации разных веществ она точно вычислит, где выпустить лекарство, и, сделав доброе дело, просто переварится у нас внутри как какой-нибудь кусочек сахара.


Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: