Forskare har skapat en konstgjord neuron som liknar biologiska nervceller. Den kan även stimulera naturliga nerver – något som väcker hopp om att på sikt kunna använda teknologin för olika behandlingar.
Forskare vid Linköpings universitet utvecklar nu allt mer funktionella konstgjorda nervceller.
I början av 2022 demonstrerade en grupp forskare hur en artificiell organisk neuron kunde integreras i en levande köttätande växt och få den att öppna och stänga sig. Denna syntetiska nervcell uppfyllde två av de 20 egenskaper som skiljer den från en biologisk nervcell.
I sin senaste studie har samma forskare utvecklat en ny artificiell nervcell som kallas ”konduktansbaserad organisk elektrokemisk neuron”, c-OECN. Den liknar 15 av de 20 neurala egenskaper som kännetecknar biologiska nervceller. Det gör dess funktion mycket mer lik naturliga nervceller.
En av utmaningarna med att skapa artificiella neuroner som liknar verkliga nervceller är förmågan till så kallad jonmodulering.
– Traditionella artificiella neuroner gjorda av kisel kan efterlikna många egenskaper men kan inte kommunicera genom joner. Däremot använder c-OECN joner för att efterlikna flera nyckelegenskaper i biologiska nervceller, säger Simone Fabiano, forskningsledare för organisk nanoelektronik.
Transistorer har förbättrats
2018 var forskargruppen vid Linköpings universitet en av de första att utveckla organiska elektrokemiska transistorer baserade på ledande polymerer av n-typ, som är material som kan leda negativa laddningar. Det gjorde det möjligt att bygga tryckbara organiska elektrokemiska kretsar.
Sedan dess har gruppen optimerat transistorerna så att de kan tryckas på en tunn plastfolie. Därmed är det nu möjligt att skriva ut tusentals transistorer och använda dem för att utveckla artificiella nervceller.
Liknar biologiska nervcellers process
I den nyutvecklade artificiella neuronen används joner för att kontrollera flödet av elektrisk ström genom en ledande polymer av n-typ, vilket leder till toppar i enhetens spänning. Denna process liknar den som sker i biologiska nervceller. Materialet i den konstgjorda nervcellen gör också att strömmen kan ökas och minskas i en nästan perfekt klockformad kurva som liknar aktivering och inaktivering av natriumjonkanaler inom biologin.
– Flera andra polymerer visar detta beteende, men bara stela polymerer är motståndskraftiga mot störningar, vilket möjliggör stabil drift av enheten, säger Simone Fabiano.
Banar väg för nya behandlingar
I experiment som gjorts i samarbete med Karolinska Institutet kopplades de nya c-OECN-neuronerna till vagusnerven hos möss. Resultaten visar att den artificiella neuronen kunde påverka mössens nerver, vilket orsakade en förändring på 4,5 procent i djurens hjärtfrekvens.
Att den konstgjorda neuronen kan stimulera vagusnerven, som spelar en nyckelroll i kroppens immunförsvar och ämnesomsättning, kan på sikt bana väg för viktiga tillämpningar inom olika former av medicinsk behandling.
Mycket arbete återstår
Nästa steg för forskarna blir nu att minska energiförbrukningen för de artificiella neuronerna, som fortfarande är mycket högre än för mänskliga nervceller. Mycket arbete återstår att göra för att helt efterlikna naturen på konstgjord väg.
– Det är mycket vi fortfarande inte helt förstår om den mänskliga hjärnan och nervcellerna. Faktum är att vi inte vet hur nervcellen använder alla de 15 egenskaper vi visat i studien. Att härma nervcellerna kan göra det möjligt för oss att förstå hjärnan bättre och bygga kretsar som kan utföra intelligenta uppgifter. Vi har en lång väg framför oss, men den här studien är en bra början, säger forskaren Padinhare Cholakkal Harikesh.
Vetenskaplig studie:
Ion-tunable antiambipolarity in mixed ion-electron conducting polymers enables biorealistic organic electrochemical neurons, Nature Materials
Kontakt:
Simone Fabiano, universitetslektor och forskningsledare vid Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet, simone.fabiano@liu.se
Padinhare Cholakkal Harikesh, postdoktor, Linköpings universitet, harikesh.padinhare@liu.se
