Текст уведомления здесь

Vita ex machina № 9

Нанопоезда едут по биорельсам, шампиньоны осваивают логику, а искусственная сетчатка управляет мышами

В лабораториях бьются искусственные сердца, молекулярные компьютеры играют в крестики-нолики, а крошечные медицинские роботы учатся взаимодействовать между собой внутри наших тел. Люди всегда мечтали подражать природе, и теперь это получается у них все лучше. «Чердак» отбирает самые интересные бионические новости, чтобы вы не потерялись в этом новом, странном мире.
Добавить в закладки
Комментарии

В бионике есть одна бесконечно благодатная тема, к которой все возвращаются на новых и новых уровнях, — это создание биоподобных вычислительных элементов вроде искусственных нейронов, мемристоров или синапсов. О последних речь в новой работе южнокорейских и американских ученых, где искусственный синапс сделали на основе электропроводящего полимера и пары металлических электродов.

Синапс — это контакт между нейроном, передающим электрический сигнал, и другой клеткой — например, вторым нейроном, принимающим сигнал, или клеткой мышечной ткани, приводимой в действие этим сигналом. В природе синапсы чаще всего работают за счет дополнительных веществ-агентов, нейромедиаторов: нервный импульс в первом нейроне вызывает выделение нейромедиаторов в синаптическое пространство, по которому они доходят до второй клетки, чтобы запустить сигнал уже там.

Изображение: CI Photos / Фотодом / Shutterstock

Изображение: CI Photos / Фотодом / Shutterstock

По похожему принципу работает и этот искусственный синапс, который выглядит как трехслойный сэндвич: сверху — кремниевая пластина (пресинаптический нейрон), снизу — алюминиевая (постсинаптический нейрон), а между ними прослойка из полимера, способного пропускать электрический ток и еще диссоциировать (то есть разделяться) на массивный заряженный остов и легкие подвижные ионы, которые и играют роль нейромедиаторов — электрический ток в верхней пластине шевелит ионы в полимерной прослойке, которые бегут к нижней пластине и запускают новую волну тока уже там.

Такая нехитрая структура в испытаниях показала некоторые свойства самых настоящих синапсов. Например, она умеет усиливать парные импульсы (если временной зазор между электрическими импульсами одинаковой силы в верхней пластине составлял от 20 до 500 мс, то в нижней пластине возникали более сильные токи, чем от одиночных импульсов) и обладает разными типами нейропластичности — например, чем чаще приходили возбуждающие сигналы, тем более сильный «постсинаптический» ток возникал в алюминиевой пластине.

Существует множество аналогичных решений в том числе и на других полимерах, но у южнокорейского варианта есть несколько принципиальных преимуществ. Во-первых, его размеры предельно напоминают биологические синапсы (его толщина порядка 40 нм), а во-вторых, он работает с электрическими сигналами столь малой интенсивности (порядка 10 мВ в пресинаптическом электроде возбуждают ток в несколько пикоампер в постсинаптическом электроде), что его энергоэффективность почти идентична природной. Так что совсем не исключено, что в будущем бионическом компьютере за синапсы будет отвечать именно корейская разработка или ее прямой наследник.

Очень необычная статья, тоже близкая теме бионических вычислителей, пришла из Индии: местные ученые закупились на рынке шампиньонами Agaricus bisporus, нарезали их кусочками, пропитали наночастицами и получили простейшие вычислительные элементы.

В коллаже использованы изображения Original Mostert, Vlad Kochelaevskiy (Фотодом / Shutterstock). Коллаж: Анатолий Лапушко / Chrdk.
В коллаже использованы изображения Original Mostert, Vlad Kochelaevskiy (Фотодом / Shutterstock). Коллаж: Анатолий Лапушко / Chrdk.

Работают эти элементы в водных растворах перекиси водорода H2O2. Дело в том, что шампиньоны содержат ферменты, разлагающие перекись на воду и кислород, а после того, как их дополнительно покрывают наночастицами магнетитов (индийцы опускали кусочки шампиньонов в 50—160 микрометров в растворы магнетитов с температурой в 50 °C и давали им «настояться» за ночь), их активная поверхность становится гораздо больше. В результате реакция разложения перекиси идет так быстро, что образующиеся пузырьки кислорода начинают хаотично расталкивать кусочки шампиньонов (ученые называют их гордым и труднопереводимым словом logibot) в разные стороны.

Однако если в такой системе еще и создать перепад значений pH, капнув с разных сторон от кусочков грибов каких-нибудь сильнокислых или сильнощелочных растворов, то передвижениями ботов еще можно будет управлять. Например, если с одной стороны от них появиться большая область с кислым pH, то пузырьки кислорода будут чаще появляться на противоположной стороне ботов и в результате они будут постепенно дрейфовать в сторону кислого пятна.

На этом эффекте и работают индийские бионические логические элементы. Например, простейшая логическая операция, дизъюнкция, выглядит следующим образом. На вход «наногрибной» бот получает два сигнала: слева от бота капают кислоту (есть кислота, то сигнал — логическая 1, если нет — логический 0), а справа — щелочь (1 — щелочь есть, а 0 — щелочи нет), а выходной сигнал определяется по подвижности бота, которую можно оценить с помощью оптического микроскопа (0 — бот стоит на месте, 1 — двигается). С такими условиями получается, что вся система работает точь-в-точь как логический оператор ИЛИ: если в систему ничего не прикапывается, пузыри образуются хаотично со всех сторон от бота и он стоит на месте (0∨0 → 0), а во всех остальных случаях кусочек шампиньона направленно перемещается (1∨0 → 1, 0∨1 → 1, 1∨1 → 1).

Аналогичным образом в этой системе можно организовать операторы следствия, отрицания или даже каскады из нескольких элементов — в классической полупроводниковой электронике для этого нужны резисторы, конденсаторы и прочие плохо совместимые с живой материей элементы, а здесь все обходится гораздо легче. Конечно, пока сложно представить, как именно эта система может устойчиво заниматься вычислением более серьезных задач, но авторы верят в успех и говорят, что новый подход как минимум поможет им понять механику принятия решений при движении различных микроорганизмов или, например, сперматозоидов.

В химии есть кольцевые молекулы, которые строятся не только за счет химических связей, но еще и зацепляются друг за друга и механически удерживаются вместе, как звенья миниатюрной цепи. Немецкие и американские ученые сделали из таких колец на основе ДНК молекулярный «поезд» и пустили его по нанорельсам.

Изображение: Julián Valero

Изображение: Julián Valero

В системе было четыре главных компонента: статор — неподвижное ДНК-кольцо из 168 пар нуклеотидов, ротор — сцепленное со статором подвижное кольцо на 210 пар нуклеотидов, привод — молекула РНК-полимеразы, с одной стороны жестко закрепленная на статоре, а с другой — бегающая по кольцу ротора и тем самым приводящая ее в движение, и собственно рельсы — протяженная нанотрубка из ДНК с пришитыми вдоль нее на определенных расстояниях олигонуклеотидами.

Фермент РНК-полимеразы выполнял сразу две принципиальные функции: он не только непрерывно синтезировал РНК и тем давал энергию для движения системы, но еще и цеплялся к рельсам из ДНК-нанотрубок. То есть сначала статор мотора был сцеплен химической связью с ДНК-нанотрубкой в одном месте, но постепенно полимераза синтезировала все более и более длинный хвост РНК, тот зацеплялся со специфической отметкой олигонуклеотида на ДНК-нанотрубке и перебрасывал всю конструкцию мотора в новое положение.

Молекулярный мотор размером около 30 нанометров в поперечнике способен преодолевать дистанцию до 240 нанометров, скорость вращения ротора — около 0,1 оборота в минуту, средняя скорость передвижения — примерно 0,2 нанометра в секунду. Это пока совсем скромно для адресной доставки лекарств, но до этого так четко направить движение молекулярного мотора никому не удавалось. Дальше ученые обещают не только удлинять и усложнять маршрут, но и поработать над скоростью его прохождения.

Еще одни китайские ученые могли легко запутать неподготовленного читателя: сначала они сделали автономную электронную кожу, а потом показали, что она может выполнять функции сетчатки и даже способна влиять на движения крыс. Кожа и сетчатка одновременно — звучит как какая-то бессмыслица. Но в действительности слова исследователей вполне обоснованы — просто под термином «электронная кожа» традиционно понимается очень широкий круг гибких материалов, способных хоть как-то принимать, обрабатывать или передавать сигналы.

В коллаже использованы изображения Pongsak Hajak и THEJAB (Фотодом / Shutterstock). Коллаж: Анатолий Лапушко / Chrdk.
В коллаже использованы изображения Pongsak Hajak и THEJAB (Фотодом / Shutterstock). Коллаж: Анатолий Лапушко / Chrdk.

У китайцев кожей был полимерный композит из непроводящего полидиметилсилоксана и проводящего полипиррола, нанесенный на медную подложку. Такая система обладала двумя важными свойствами. Во-первых, она могла генерировать электрические импульсы за счет трибоэлектрического эффекта (от контакта между полипироллом и полидиметилсилоксана в них накапливались статические заряды, которые через медную подложку уходили во внешнюю цепь), а во-вторых, обладала светочувствительностью (под действием света в полипиролле появлялись дополнительные свободные носители заряда, и из-за этого величина трибоэлектрического эффекта, то есть сила тока, утекающего во внешнюю цепь от трения двух полимеров, уменьшалась). Поэтому на основе такой полимерной кожи и пробовали сделать искусственную сетчатку, которая, по задумке, должна как раз принимать световые сигналы, обрабатывать их и переводить их в нервные импульсы.

Свою идею китайцы опробовали в трех последовательных экспериментах. Сначала они показали, что массив из 64 таких светочувствительных сенсоров, расположенных матрицей 8 на 8 элементов, способен перевести в электрические сигналы простейшую надпись из трех букв — N, E, U. Потом они расположили свое устройство на виске одного из испытуемых и показали, что даже моргания глаза достаточно для того, чтобы запустить трибоэлектрический эффект и запитать искусственную сетчатку. И наконец, в третьем эксперименте исследователи использовали одновременно пять массивов сенсоров и сигналы с них через электроды направили в моторную кору головного мозга подопытных мышей, чтобы проследить, могут ли искусственные сигналы повлиять на поведение живого грызуна.

Yitong Dai et al. / Advanced Functional Materials

Полный успех: хвосты мышей дергались вместе с циклической сменой освещенности, то есть сигналы от полимерной сетчаткой оказались вполне совместимы с живыми организмами. Так что теперь авторы мечтают о большем — сделать устройства для восстановления утраченного зрения или даже расширения возможностей человека, например добавления способности видеть в ультрафиолете.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Есть кто внутри?

Нейрофизиологи научились поддерживать жизнь в мозге, извлеченном из тела. Это можно считать «камерой предельной сенсорной депривации»?

Последние годы в Йельском университете проводились эксперименты, в ходе которых ученые научились успешно восстанавливать жизнь мозга свиньи, обезглавленной за четыре часа до того, и после поддерживать его жизнь в течение 36 часов. Через лабораторию прошло не менее сотни свиней — или, если угодно, свиных голов, — которые раз за разом ученым предоставляла скотобойня.
Добавить в закладки
Комментарии

Получив мозг, исследователи подсоединяли его к разработанной ими системе жизнеобеспечения BrainEx, обеспечивая мозгу циркуляцию подогретой до температуры тела искусственной крови. Будучи по сути просто весьма эффективным прибором искусственного кровообращения, которые используются в медицине не первый год, BrainEx, однако, заставляет задуматься о том, как правильно ставить вопрос об объекте манипуляций. Кого или что подключают к системе жизнеобеспечения — «минимальную» свинью или ее орган, головной мозг? И можно ли между ними поставить знак тождества?

Все, что широкая публика знает сегодня об исследованиях Ненада Сестана и его группы, известно благодаря публикации американского научного журналиста Антонио Регаладо из журнала MIT Technology Review. Сестан упомянул о том, чем занимается его научная группа, на встрече, которую организовали Национальные институты здравоохранения США (NIH) в конце марта, — та была посвящена этическим вопросам, с которыми сталкиваются сейчас нейрофизиологи.

Примерно через месяц после этой встречи в журнале Nature был опубликован текст, подписанный крупнейшими фигурами в области экспериментов с тканями головного мозга и специалистами по био- и медицинской этике. В нем обозначаются этические вызовы, зашитые в такие лабораторные практики, как выращивание органоидов человеческого мозга из стволовых клеток, извлечение фрагментов мозга живых людей и последующие эксперименты над ними, а также «подсаживание» выращенных тканей человеческого мозга к мозгу лабораторных животных, но о казусе «мозга-в-бочке», примером которому служит BrainEx Сестана (который также вошел в число авторов уже упомянутого материала в Nature), не упоминается.

Оживший орган [ ... ]

Читать полностью

На Марсе забуриться

Зачем запустили аппарат InSight

5 мая 2018 года с калифорнийского космодрома Ванденберг стартовала ракета Atlas V с аппаратом InSight на борту. InSight должен добраться до Марса к концу ноября, чтобы пробурить первую скважину в Красной планете и дать ученым возможность наконец прислушаться к гулу ее недр.
Добавить в закладки
Комментарии

До этого ученым приходилось довольствоваться только поверхностными раскопками. Фреза марсохода Curiosity, самой тяжелой и оснащенной мобильной лаборатории на поверхности Марса, может погружаться в материал всего на пять сантиметров, в то время как InSight способен делать отверстия до пяти метров глубиной. Правда, поднимать потом из сделанной им скважины образцы он не может, но и скважина нужна исследователям совсем для других целей.

InSight в сборочном цеху, в процессе установки теплозащитного экрана. Фото: NASA / JPL-Caltech / Lockheed Martin
InSight в сборочном цеху, в процессе установки теплозащитного экрана. Фото: NASA / JPL-Caltech / Lockheed Martin

Внутрь скважины планируется опустить чувствительные термодатчики, которые измерят поток тепла из глубин планеты, — это нужно для проверки целого ряда гипотез о внутреннем строении Марса. Кроме того, скважина позволит измерить электропроводность грунта и выявить зависимость этой проводимости от частоты переменного тока — последнее поможет уточнить состав лежащих вблизи поверхности горных пород.

Успешное выполнение миссии InSight откроет новую главу в исследованиях Марса — за счет появления данных, полученных совершенно новыми методами в истории исследований Красной планеты. Но кроме термодатчиков и электродов аппарат также будет использовать ряд уже привычных инструментов. Не обошлось, разумеется, и без двух цветных камер того же типа, что и у последних марсоходов. Фотоаппараты имеют очень скромное по земным меркам разрешение матрицы — всего в один мегапиксель, но их электроника рассчитана на работу в жестких марсианских условиях, и предыдущие образцы прекрасно зарекомендовали себя на практике: камера марсохода Opportunity, например, функционирует уже 14 лет, невзирая на перепады температуры и радиацию. [ ... ]

Читать полностью

Ваш сын, дядя Шарик

Коммерческий сервис генетического тестирования принял собаку за человека. Как так вышло?

Журналисты NBC Chicago решили проверить честность компаний, предлагающих «генетическое тестирование на дому». Для этого они отправили на анализ образцы ДНК одного из журналистов, куда подмешали несколько проб ДНК лабрадора. А после поделились результатами: одна из компаний попалась на их удочку и напророчила собаке успехи в баскетболе, боксе и велогонках. Пока широкая общественность возмущается, «Чердак» рассказывает, что это за безобразие, куда они смотрят и за кого нас держат.
Добавить в закладки
Комментарии

Технологии ДНК-скрининга вышли из лабораторий и атакуют неподготовленного потребителя. То, что изначально было полезным аналитическим инструментом со множеством применений (от установления родства до подбора индивидуальных лекарств и профилактики возможных заболеваний), все чаще используется в околонаучных лотереях. Человек плюет в пробирку, опускает ее в черный ящик (почтовый), а через две недели достает из него письмо, где сообщается — в зависимости от специализации конторы, к которой он обратился, — что у него нашелся троюродный дядя, вот-вот разовьется рак груди или обнаружены выдающиеся способности к вокалу. Таким образом генетическое тестирование из инструмента медицинской диагностики превращается в развлечение, не сильно отличающееся от чтения гороскопа. Отсюда и популярный сегодня термин — «развлекательная генетика».

Принципиальное отличие ДНК-тестов от других анализов состоит в том, что компания берет на себя не только получение результатов, но и их интерпретацию. И если, сдавая анализ крови, мы получаем на выходе ее состав в сравнении с нормальными показателями, то в случае генетического скрининга нередко все решения приняты за нас. Получается, что эффективность генетического тестирования, как и достоверность гороскопа, зависит от мастерства толкователя. С той лишь разницей, что в случае с ДНК есть шанс разобраться в процессе и оценить научную достоверность результатов.

Что мы ищем в ДНК?

Геном человека — это сотни миллионов пар нуклеотидов и тысячи генов. В этих информационных джунглях людей интересуют, как правило, только отдельные небольшие участки. [ ... ]

Читать полностью