Учёные из Северо-Западного университета создали 3D-печатные нейроны, способные обмениваться сигналами с живыми клетками мозга. Это прорывное достижение приближает нас к созданию эффективных нейроинтерфейсов и принципиально новых вычислительных систем.
Исследователи десятилетиями печатали материалы, имитирующие части тела. Они даже создавали структуры из живых клеток. Но заставить эти системы вести себя как настоящая ткань, особенно такую сложную, как мозг, было крайне трудно.
Работа также связана с глобальной задачей создания энергоэффективных вычислительных систем, подобных мозгу. Копируя принципы нейронной передачи сигналов, можно выполнять сложные операции с минимальным энергопотреблением.
Нейроны передают сигналы, управляя движением и памятью. Команда задалась вопросом: может ли 3D-печатная версия делать то же самое?
Как напечатать искусственный нейрон
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Nanotechnology, команда под руководством эксперта по материаловедению Марка Херсама описала свой метод. Учёные применили аэрозольную струйную печать для создания наноразмерных электронных сетей.
Систему изготовили из электронных чернил на основе мягких материалов — дисульфида молибдена и графена. Их напечатали на гибкой полимерной подложке, а не на жёстком кремнии. Затем искусственные нейроны поместили рядом с живыми клетками мозга мыши, которые содержались в лаборатории. Напечатанные нейроны посылали сигналы, а биологические клетки на них отвечали. Две системы смогли коммуницировать.
Это часть масштабной работы по созданию печатных систем, взаимодействующих с живой тканью. Мозг особенно сложен, так как зависит от постоянной точной связи между нейронами. Даже малые сбои меняют обработку сигналов. Демонстрация ответа реальных клеток на сигнал искусственных — ключевой шаг. Он доказывает, что 3D-печатные системы могут встраиваться в нейронные сети.
Перспективы для медицины и вычислений
Работа открывает путь к электронике, которая напрямую свяжется с нервной системой. Это сулит прорыв в нейроинтерфейсах и нейропротезировании. Речь идёт об имплантах для слуха, зрения и контроля движений. Современные устройства используют традиционную электронику. Печатные компоненты могут взаимодействовать с тканью мозга естественнее. Это повысит биосовместимость и эффективность имплантов.
Технология также важна для лечения неврологических заболеваний. Управление коммуникацией между искусственными и реальными нейронами может помочь в восстановлении повреждённых участков мозга.
Отдельное направление — нейроморфные вычисления. Они копируют принципы обработки информации мозгом. Слияние биологического поведения с инженерными структурами предлагает новые пути для создания таких систем.
«Сегодняшний мир доминирует искусственный интеллект, — говорит Марк Херсам. — Чтобы сделать ИИ умнее, его обучают на всё больших данных. Это приводит к колоссальному энергопотреблению. Нам нужна более эффективная аппаратная платформа для работы с большими данными и ИИ. Мозг на пять порядков энергоэффективнее цифрового компьютера. Поэтому логично искать вдохновение в мозге для вычислений следующего поколения».
Контекст и отличия подхода
Исследователи давно движутся в этом направлении. Например, команды из Университета Монаша использовали 3D-биопечать для создания сетей живых клеток мозга. Другие группы разрабатывали искусственные нейроны на электронных компонентах, таких как мемристоры. Работа Северо-Западного университета объединяет эти подходы. Учёные создали не живые клетки и не жёсткую электронику. Они напечатали электронные системы, которые ведут себя как нейроны и напрямую взаимодействуют с тканью мозга.
Исследование — лишь первый шаг. Это не полнофункциональный искусственный мозг и не готовый клинический имплант. Взаимодействие показали в контролируемых условиях. До реальных приложений ещё далеко.
Применение в России и СНГ
Разработка искусственных нейронов, взаимодействующих с живой тканью, открывает перспективы для российских научных центров и медицинских институтов. Направление нейроинтерфейсов и биосовместимой электроники активно развивается в рамках программ по биомедицинским технологиям и нейронаукам. Отечественные исследовательские группы, работающие в области аддитивных технологий, биопечати и материаловедения, могут использовать этот подход для создания прототипов нейропротезов и исследовательских платформ.
Особый интерес технология представляет для фундаментальных исследований мозга, тестирования нейрофармакологических препаратов и разработки реабилитационного оборудования. Российские компании-интеграторы, имеющие опыт в промышленной 3D-печати функциональными материалами, потенциально могут адаптировать методы аэрозольной струйной пети для работы с проводящими наноматериалами. Это позволит создавать сложные микроэлектронные структуры для нейроинженерии и персонализированной медицины.
