Przychodzi elektryk do biologa…a powstaje sztuczna komórka nerwowa

Badacze z Laboratory of Organic Electronics jako pierwsi stworzyli sztuczną komórkę nerwową zdolną do zintegrowania z żywą rośliną. Naukowcy otworzyli tym samym nowe możliwości w projektowaniu bionicznych protez i leczeniu neurologicznych schorzeń.

Czytaj dalej

nauki przyrodnicze

o co chodzi?

Większość z nas nie wyobraża sobie życia bez telefonu czy laptopa. Szczególnie teraz, zmęczeni walką z pandemią i zamknięciem w czterech ścianach, technologia stała się nam bliższa niż kiedykolwiek wcześniej. Nie myślimy już o niej jak o zwykłym udogodnieniu - raczej stała się w naszych oczach niezwykłym rozwiązaniem umożliwiającym kontakt zarówno z bliskimi, jak i z tymi, których nawet nigdy wcześniej nie widzieliśmy na oczy. Być może dbając o swoje zdrowie nosisz smartwatch pilnujący ilość wykonanych przez Ciebie kroków albo masz aplikację kontrolującą jak często pijesz wodę, czy śpisz regularnie i czy już jest pora by przyciemnić światło w Twoim pokoju. 

Jednak inżynierowie wiążą z technologię także śmielsze nadzieje...

Pominę prace nad coraz lepszą sztuczną inteligencją i jej zaskakujących możliwościach (i nie, nie mówimy tu o Google’owym ,,Quick, Draw!’’ zgadującym nasze bazgroły lepiej niż znajomi w kalambury). Mam na myśli coś bardziej złączonego z… nami. I to dosłownie! Pewnie kojarzycie wszystkie te bajki z piratami, którzy zamiast ręki czy nogi mają drewniane kikuty? Oczywiście obecnie mamy o wiele bardziej zaawansowane protezy. Niektóre z nich zdolne są do odbierania bodźców czy przekazywania do mózgu impulsów nerwowych. 

Niestety, są one bardzo drogie i niedostępne dla przeciętnego zjadacza chleba. A przecież mówimy tu o samych kończynach, pomijając wiele chorób, które permanentnie wyniszcza układ nerwowy. Jednak co jeśli powiedziałabym wam, że może już niedługo będziemy w stanie pomóc wszystkim tym ludziom, którzy w wyniku wypadku czy choroby utracili któryś ze swych zmysłów lub zdolność do ruchu?

Układ nerwowy

Aby lepiej zrozumieć, jak możemy zbliżyć ludzi i technologię do siebie, musimy najpierw przypomnieć sobie, w jaki sposób działa układ nerwowy. Nasze neurony komunikują się ze sobą za pomocą sygnałów elektrycznych i chemicznych. Przypomina to trochę grę w iskierkę - komórki nerwowe także są w pewien sposób „połączone” ze sobą i gdy do jednego z nich dotrze impuls, ten przekaże go dalej - tak jak ściskając naszą dłoń, my w odpowiedzi ściskamy tę kolegi obok. W przypadku neuronów mówimy o impulsach. Docierając do komórki nerwowej są one przekazywane do kolejnego neuronu, który przesyła je do następnego i do następnego i tak dalej. 

Wszystko to jest możliwe dzięki jonom, czyli dodatnio lub ujemnie naładowanym atomom. Komórki nerwowe po otrzymaniu impulsu uwalniają je ze swoich zakończeń do niewielkiej przestrzeni dzielącej je od kolejnego neuronu. Jednak ze względu na budowę błony komórkowej, jest ona nieco "szczelniejsza" dla niektórych rodzajów jonów dodatnich, a bardziej przepuszczalna dla innych. Dlatego też z komórki wypływa więcej dodatnich jonów potasu, co sprawia, że jej wnętrze jest lekko  naładowane ujemnie. Docierający do neuronu impuls otwiera ,,przejścia'' dla jonów, powodując napływ do jego wnętrza większej ilości tych dodatnio naładowanych. Powoduje to powstanie ładunku elektrycznego i skok napięcia w neuronie. Tak powstały impuls elektryczny przeskakuje przez komórkę dalej, gdzie na jej końcu zostaje przekształcony w sygnały chemiczne. 

Dzieje się to np. poprzez uwolnienie neuroprzekaźników do szczeliny między komórkami, którą nazywamy synapsą. Po drugiej stronie ,,czekają" na nie receptory znajdujące się w sąsiednim neuronie. To właśnie one przekształcają sygnały chemiczne z powrotem w ładunki elektryczne. Innymi słowy, to dzięki nim drugi neuron może kontynuować przekazywanie impulsu dalej. 

Mała powtórka z biologii za nami, teraz czas na część bardziej technologiczną 

Co dość oczywiste, większość naszych urządzeń elektronicznych potrzebuje do swojego działania energii, zazwyczaj dostarczanej pod postacią prądu. Materiały, które dobrze go przewodzą, to tak zwane przewodniki. Zazwyczaj są to metale i niektóre ciecze. Oprócz nich wyróżniamy jeszcze niezbyt chętnie przewodzące prąd izolatory. Większość z nich to niemetale, które mają bardzo mało wolnych elektronów krążących wokół atomu (lub nie mają wcale). Stąd przyłożenie do nich napięcia nie wywoła przepływu prądu, bo nie mają one wolnych elektronów, które po opuszczeniu swojego macierzystego atomu wędrowałyby przez materiał, tworząc prąd elektryczny. I tutaj na scenę wkraczają jeszcze półprzewodniki, które przewodzą prąd elektryczny lepiej niż izolatory, ale gorzej niż przewodniki. Jednak możemy zmieniać ich właściwości poprzez wprowadzenie pewnej liczby domieszek innych pierwiastków. 

Przykładowo krzem czy german są powszechnie wykorzystywane do produkcji elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody czy też baterie fotowoltaiczne. Wśród tych materiałów znajdziemy półprzewodniki organiczne (OSC), które cieszą się coraz większą popularnością. Ciężko się dziwić, gdyż mają wiele zalet - są lekkie, ich produkcja jest tania, są łatwo dostępne a do tego elastyczne mechanicznie. Co więcej, można je produkować za pomocą dość prostych technik, np. specjalnego drukowania. 

Najciekawszym ich zastosowaniem są jednak biosensory. Są to małe urządzenia, które po podaniu próbki biologicznej (tzw. analitu) mogą wykryć w nim biomarkery lub pomóc w zrozumieniu ich funkcji, składu czy też struktury. Wszystko to możliwe jest dzięki przetwornikowi przekształcającemu np. zachodzącą reakcję biologiczną w sygnał elektryczny. Ten, po odpowiednim wzmocnieniu, staje się możliwy dla nas do odczytania. 

Nasze mózgi i neurony w pewnym sensie nie różnią się zbytnio od organicznych półprzewodników

Są do siebie podobne strukturalnie a do tego łączy je elastyczność jeśli chodzi o rzeczy, które mogą wyczuwać lub kontrolować. Dlatego też zespół naukowców z Uniwersytetu w Linköping postanowił wykorzystać ten fakt do stworzenia urządzenia, które działa tak samo jak biologiczny neuron. Tę sztuczną komórkę nerwową wykonano z poliestru i kilku metali, które dzięki swojej budowie działały trochę tak jak jony. Neurony wydrukowano na maleńkiej plastikowej podstawce, a cały ich układ nazwano organicznymi elektrochemicznymi neuronami i synapsami (OECN). Działały one tak samo jak ich biologiczne odpowiedniki - także wytwarzały impulsy elektryczne za pomocą jonów z nadrukowanego metalu, a to pozwalało im na komunikowanie się ze sobą przez synapsy. 

Naukowcy poszli jednak o krok dalej. Stworzone przez siebie komórki połączyli oni z muchołówką amerykańską (Dionaea muscipula). Co prawda rośliny nie mają ani mózgu, ani układu nerwowego, jednak ich komórki także są zdolne do generowania impulsów elektrycznych podobnych do tych u zwierząt. Dlaczego naukowcy zdecydowali się na wykorzystanie muchołówki? Wszystko ze względu na jej zdolność do zamykania swoich pułapkowych liści, w momencie gdy znajdzie się na nich jakiś owad. Mechanizm ten kontrolowany jest przez odpowiedni poziom jonów i stymulacji elektrycznej, podobnie jak w przypadku neuronów. Do tego został on dość dobrze zbadany, naukowcy wiedzą więc jak go dostosować na potrzeby swoich eksperymentów. 

Zdj. Muchołówka amerykańska (Dionaea muscipula)

Co dokładnie zrobili badacze? Otóż podłączyli oni syntetyczne neurony do komórek muchołówki za pomocą supercienkich drucików. Generowały one impulsy elektryczne, które po podłączeniu do muchołówki wywoływały w niej potencjał czynnościowy. To właśnie on powodował zamykanie się liści. Innymi słowy, mimo że na liściu nie było żadnego owada, roślina reagowała tak, jakby na niej był! Co więcej, taka sztuczna stymulacja działała niezwykle podobnie do tej biologicznej. Pojedynczy impuls nie aktywował mechanizmu - dopiero ich odpowiednia częstotliwość powodowała uruchomienie się mechanizmu. To samo dzieje się w przypadku neuronów w mózgu - rzadko kiedy pojedynczy potencjał czynnościowy powoduje przekazanie impulsu. Dzięki muchołówce naukowcy mogli jednoznacznie pokazać, że są oni w stanie sterować systemem biologicznym za pomocą sztucznego systemu organicznego - jednocześnie sprawiając, by oba porozumiewały się w tym samym języku. 

Sztuczne neurony ze względu na swoje właściwości budzą w naukowcach wiele nadziei

Są bardzo tanie i łatwe w produkcji, a do tego nadają się do druku. Mogą być wykonane z biokompatybilnych materiałów, dają się formować a do tego ulegają biodegradacji. Do swojego działania wymagają jedynie niskiego napięcia, nieszkodliwego zarówno dla roślin, jak i zwierząt. Technologia wykorzystująca takie „komórki” pozwoliłaby na wiele ciekawych zastosowań, zaczynając od jeszcze dokładniejszych urządzeń typu smartwatch, przez interfejsy mózg-komputer, aż po bioprotezy. Te ostatnie nie tylko wyglądałyby jak kończyny, ale również funkcjonowały i zachowowywały w ten sam sposób. Przywróciłyby więc takiej poszkodowanej osobie nie tylko sprawność, ale i czucie. Zespół ma też nadzieję, że w przyszłości ich wynalazek pomógłby opracować wszczepialne systemy, które łagodziłyby np. skutki chorób neurologicznych. 

Kto wie - może już niedługo uda nam się dokonać tego, co jeszcze nie tak dawno było dla wielu zupełnie nie do pomyślenia.

Opublikowano w dziale nauki przyrodnicze dnia 09 lip 2022

Podobał Ci się ten artykuł?
Żródła

Simone Fabiano, Organic electrochemical neurons and synapses with ion mediated spiking, Nature Communications (2022) DOI: 10.1038/s41467-022-28483-6. www.nature.com/articles/s41467-022-28483-6 (Data: 08.07.2022)

Building artificial nerve cells: Organic electrochemical neurons and synapses with ion mediated spiking  https://www.sciencedaily.com/releases/2022/02/220222121302.htm (Data: 08.07.2022)

Making Plants High-Tech with Artificial Neurons https://youtu.be/ouPw4I8mzHs (Data: 08.07.2022)


Zdjęcia:

che - Own work, CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1553455

Kuartas, GPL, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2000961