Naukowcy pokazują, jak można kierować systemem biologicznym za pomocą sztucznych neuronów organicznych

Po raz pierwszy naukowcy zademonstrowali sztuczny neuron organoidalny, neuron, który można połączyć z żywą rośliną i sztuczną synapsą organoidalną. Zarówno neurony, jak i synapsy składają się z drukowanych organicznych tranzystorów elektrochemicznych.

Podczas kontaktu z mięsożerną muchołapką Wenus impulsy elektryczne ze sztucznego neuronu mogą spowodować zamknięcie liści rośliny, nawet jeśli żadna mucha nie dostała się do pułapki. Półprzewodniki organiczne mogą przewodzić zarówno elektrony, jak i jony, pomagając symulować jonowy mechanizm generowania impulsów (potencjału czynnościowego) w roślinach. W takim przypadku mały impuls elektryczny o napięciu poniżej 0,6 V może stymulować potencjały czynnościowe rośliny, co z kolei powoduje zamknięcie liści.

mówi Simon Fabiano, profesor nadzwyczajny i główny badacz nanoelektroniki organicznej w Laboratorium Elektroniki Organicznej Uniwersytetu Linköping w kampusie Norrköping.

W 2018 roku grupa badawcza z Linköping University jako pierwsza opracowała komplementarne, drukowane organiczne obwody elektrochemiczne – czyli z polimerami typu n i p, które przewodzą ładunki ujemne i dodatnie. Umożliwiło to zbudowanie komplementarnych drukowanych organicznych tranzystorów elektrochemicznych. Grupa ulepszyła później tranzystory organiczne, aby można było je wytwarzać w prasach drukarskich na cienkiej folii z tworzywa sztucznego. Na jednym plastikowym podłożu można wydrukować tysiące tranzystorów. Wraz z naukowcami z Lund i Göteborga grupa wykorzystała drukowane tranzystory do symulacji neuronów i synaps w systemie biologicznym. Wyniki zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications.

Po raz pierwszy wykorzystujemy zdolność tranzystora do przełączania w oparciu o stężenie jonów do modulowania częstotliwości narastania. „

Padinhare Cholakkal Harikesh, doktor habilitowany w Laboratorium Elektroniki Organicznej

Rosnąca częstotliwość daje sygnał, który powoduje reakcję układu biologicznego.

„Wykazaliśmy również, że związek między neuronem a synapsą ma charakter uczenia się zwany uczeniem się hipisów. Informacje są przechowywane w synapsie, co sprawia, że ​​sygnał jest coraz bardziej wydajny” – mówi Simon Fabiano.

Istnieje nadzieja, że ​​sztuczne neurony będą mogły być wykorzystywane we wrażliwych ludzkich protezach, systemach wszczepialnych do łagodzenia chorób neurologicznych oraz miękkich, inteligentnych robotach.

„Opracowaliśmy neurony jonowe, podobne do naszych, które można łączyć z systemami biologicznymi. Półprzewodniki organiczne mają wiele zalet – są biokompatybilne, biodegradowalne, miękkie i plastyczne. Wymagają jedynie niewielkiego nakładu pracy. Jest całkowicie nieszkodliwy dla roślin i kręgowców, wyjaśnia Chi Yuan Yang, doktor habilitowany w Laboratorium Elektroniki Organicznej.

Badania były wspierane finansowo między innymi przez Fundację Knuta i Alice Wallenbergów, Szwedzką Radę ds. Badań, Szwedzką Fundację Badań Strategicznych oraz Strategiczny Obszar Badań Naukowych w zakresie Materiałoznawstwa i Materiałów Funkcjonalnych rządu szwedzkiego na Uniwersytecie w Linköping.