Dodano: 01 marzec 2022r.

Sterowanie rośliną za pomocą sztucznych neuronów

Naukowcy opracowali sztuczne neurony, które mogą integrować się z naturalnymi systemami biologicznymi. Po podłączeniu do muchołówki amerykańskiej, impulsy elektryczne ze sztucznej komórki nerwowej powodowały zamknięcie liści mięsożernej rośliny na żądanie naukowców.

Sterowanie rośliną za pomocą sztucznych neuronów

 

Neuron opracowany przez naukowców z Uniwersytetu w Linköping w Szwecji zbudowany został z organicznych tranzystorów. Zespół uczonych od lat prowadzi badania nad integracją sztucznych neuronów z żywymi organizmami. Wcześniejsze wersje urządzenia były organicznymi układami elektrochemicznymi nadrukowanymi na cienkiej folii z tworzywa sztucznego. Wykonane z polimerów, które mogą przewodzić zarówno elektrony jak i jony, naśladują w ten sposób jonowy mechanizm generowania impulsów (potencjału czynnościowego) w roślinach. Układy te stanowią podstawę tranzystorów.

W ramach nowych badań zespół zoptymalizował tranzystory i wykorzystał je do budowy sztucznych neuronów i synaps. Połączył je także z systemami biologicznymi. Wyniki badań ukazały się na łamach pisma „Nature Communications” (DOI: 10.1038/s41467-022-28483-6).

Integracja z układem biologicznym

W 2018 roku naukowcy z Uniwersytetu w Linköping opracowali drukowane, organiczne obwody elektrochemiczne, z polimerami, które przewodzą ładunki ujemne i dodatnie. Umożliwiło to zbudowanie organicznych tranzystorów elektrochemicznych. Grupa następnie zoptymalizowała tranzystory organiczne, aby można je było masowo drukować na cienkiej folii z tworzywa sztucznego. Na jednym takim podłożu uczeni nadrukowują tysiące tranzystorów.

Wraz z kolegami z Uniwersytetu w Lund i w Göteborgu, badacze wykorzystali drukowane tranzystory do naśladowania neuronów i synaps układu biologicznego. - Po raz pierwszy wykorzystujemy zdolność tranzystora do przełączania się w oparciu o stężenie jonów, aby modulować częstotliwość impulsów - mówi dr Padinhare Cholakkal Harikesh, współautor badania. Częstotliwość impulsów daje sygnał, który powoduje reakcję układu biologicznego.

Sterowanie liśćmi muchołówki amerykańskiej

Naukowcy w testach podłączyli opracowany neuron z rośliną – muchołówką amerykańską (Dionaea muscipula). - Wybraliśmy muchołówkę amerykańską, by wyraźnie pokazać, jak możemy sterować układem biologicznym za pomocą sztucznego układu organicznego i skłonić je do komunikowania się w tym samym języku - mówi prof. Simone Fabiano z Uniwersytet w Linköping, główny autor badań.

- Pokazaliśmy, że połączenie między neuronem a synapsą wykazuje zdolność uczenia się, zgodnie z teorią hebbowską. Informacje są przechowywane w synapsie, dzięki czemu sygnalizacja staje się coraz bardziej efektywna - dodaje prof. Fabiano. Zgodnie z teorią, wielokrotna aktywacja poszczególnych synaps wzmacnia neurony po obu stronach, dzięki czemu sygnał ten z czasem staje się skuteczniejszy.

Gdy tranzystory wykryją stężenia jonów o określonych ładunkach, przełączają się, wytwarzając sygnał, który może być następnie odebrany przez inne neurony. Neurony biologiczne działają na tych samych sygnałach jonowych, co oznacza, że ​​można połączyć sztuczne i naturalne komórki nerwowe. W testach z muchołówką amerykańską impulsy elektryczne ze sztucznych neuronów były wystarczające, aby zmusić roślinę do zamknięcia tzw. liści pułapkowych.

Naukowcy mają nadzieję, że ich wysiłki doprowadzą do produkcji wrażliwych, ludzkich protez reagujących na bodźce, wszczepialnych systemów do łagodzenia chorób neurologicznych oraz miękkiej, inteligentnej robotyki.

- Opracowaliśmy neurony jonowe, podobne do naszych, które można łączyć z systemami biologicznymi. Półprzewodniki organiczne mają wiele zalet – są biokompatybilne, biodegradowalne, miękkie i podatne na formowanie. Do działania wymagają jedynie niskiego napięcia, które jest całkowicie nieszkodliwe zarówno dla roślin, jak i kręgowców – wyjaśnia dr Chi-Yuan Yang, współautor publikacji.

 

Źródłó: Linköping University, fot. Pixabay