Известны результаты по подсоединению мозга напрямую к компьютерам посредством металлических электродов в надежде получить информацию о том, что происходит внутри мозга и использовать полученные данные измерений в лечении слепоты и эпилепсии. В будущем интерфейс между мозгом и искусственной системой может быть построен на нервных клетках, специально выращенных для этой цели.

Группа израильских ученых из Вейцмановского института научных исследований (http://www.weizmann.ac.il/) во главе с профессором Элишей Мозесом (Elisha Moses) сделала первый шаг в этом направлении, искусственно создав цепи и логические вентили из живых нервов, выращенных в лаборатории. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics (Ofer Feinerman, Assaf Rotem, Elisha Moses. Reliable neuronal logic devices from patterned hippocampal cultures, – Nature Physics 4, 967 – 973, 2008, doi: 10.1038/nphys1099, Article).

Нейроны (нервные клетки мозга), выращенные в биологической культуре, не формируют «думающую» нервную сеть. Израильские ученые поставили задачу создания такой физической структуры нервной сети, которая была бы приближена к естественной, которая существует в мозге. Для упрощения задачи на первом этапе, они вырастили одномерную модель сети в специально изготовленной канавке в стеклянной подложке. Исследователи установили, что эти нервы могут быть возбуждены магнитным полем (все предыдущие результаты в этом направлении показывали, что нервы могут быть возбуждены только электрическим сигналом).

Экспериментируя далее с линейным контуром, группа обнаружила, что вариации толщины нервного волокна влияют на прохождение сигнала. Нервные клетки в мозге соединены с огромным количеством других клеток посредством аксонов (длинных и тонких отростков) и они должны получить определенное минимальное количество входящих сигналов для того, чтобы распознать источник и выработать ответный сигнал. Исследователи определили пороговую толщину нерва, которая обеспечивает рост примерно 100 аксонов. Ниже этого числа аксонов, ответный сигнал был проблематичен, а наличие буквально нескольких отростков больше 100 значительно увеличивало вероятность прохождения ответного сигнала.

Далее, ученые взяли две ленты по 100 аксонов каждая и создали логический вентиль по подобию такового, используемого в электронных компьютерах. Оба эти «провода» были соединены с небольшим количеством нервных клеток. Когда клетки получали сигнал через один из «нервных проводов», ответный сигнал был неопределенен. В то же время, на сигнал, посланный через оба «провода», поступал мгновенный и ясно выраженный ответный сигнал. Такой логический вентиль известен как И-вентиль.

В последующем эксперименте группа построила структуры с нейронными лентами, собранными в такой последовательности, чтобы аксоны могли посылать и пропускать сигналы только в одном направлении. Несколько таких контуров были затем объединены с тем, чтобы сформировать замкнутый контур на манер петли. При этом, наблюдалась регулярная передача сигнала по замкнутому контуру, по типу биологических часов или электрокардиостимулятора.

Полученные результаты трудно переоценить как по важности, так и по возможностям, которые они открывают.

Евгений Биргер