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人工ニューロンが生体電子ギャップを橋渡し

細菌 ジオバクター・サルファーレデューセンス 謙虚な始まりから生まれました。最初にオクラホマ州ノーマンの溝の土から分離されましたが、現在では、この驚くべき注目すべき微生物が、生きた細胞と直接相互作用できる史上初の人工ニューロンの鍵となっています。の G.硫黄還元菌 微生物は、マサチューセッツ大学アマースト校の研究者が人工ニューロンの作製に使用した小さなタンパク質ベースのワイヤーを介して相互に通信します。研究者らによると、これらのニューロンは、信号を増幅したり変調したりする中間装置を使わずに、生きた細胞からの情報を初めて処理できるようになったという。いくつかの人工ニューロンはすでに存在していますが、私たちの体が発する信号を感知するには電子増幅が必要であるとマサチューセッツ州アマースト校でバイオエレクトロニクスとナノエレクトロニクスを研究しているジュン・ヤオ氏は説明します。増幅により電力使用量と回路の複雑さが増大し、脳の効率が低下します。ヤオ氏のチームが作成したニューロンは、約0.1ボルトの自然な振幅で身体の信号を理解することができる。これは「非常に斬新だ」と、シカゴ大学で生体バイオエレクトロニクスを研究している生物物理学者のボジ・ティアン氏は言うが、この研究には関与していない。この研究は「電子信号伝達と生物学的信号伝達の間の長年にわたるギャップを埋める」ものであり、ティアン氏が「前例のない」と呼ぶ人工ニューロンと生きた細胞の間の相互作用を実証している。本物のニューロンと人工ニューロン生物学的ニューロンは、脳の基本的な構成要素です。外部刺激が十分に強い場合、ニューロン内に電荷が蓄積し、活動電位、つまりニューロンの体内を伝わる電圧のスパイクを引き起こし、感情や運動を含むあらゆるタイプの身体機能を可能にします。科学者たちは、これまでのところエレクトロニクスの能力を逃れているかのように見える人間の脳の効率を追い求めて、合成ニューロンの設計に数十年にわたって取り組んできました。ヤオ氏のグループは、生物学的ニューロンが電気信号を感知して反応する仕組みを模倣する新しい人工ニューロンを設計した。彼らはセンサーを使用して外部の生化学的変化を監視し、メモリスタ（基本的にはメモリを備えた抵抗器）を使用して活動電位プロセスをエミュレートします。 外部の生化学的事象からの電圧が増加すると、イオンが蓄積し、メモリスタのギャップを横切ってフィラメントを形成し始めます。この場合、メモリスタにはタンパク質ナノワイヤが充填されていました。十分な電圧がある場合、フィラメントはギャップを完全に埋めます。電流がデバイスを流れ、フィラメントが溶解してイオンが分散し、電流が止まります。完全なプロセスはニューロンの活動電位を模倣します。 研究チームは人工ニューロンを心臓組織に接続してテストした。この装置は細胞収縮のベースライン量を測定しましたが、人工ニューロンを発火させるのに十分な信号は生成されませんでした。次に研究者らは、組織にノルエピネフリン（細胞の収縮頻度を高める薬）を投与した後、別の測定を行った。人工ニューロンは薬を投与した試験中にのみ活動電位を誘発し、生きた細胞の変化を検出できることが証明された。 実験結果は9月29日に出版された。 ネイチャーコミュニケーションズ。天然ナノワイヤーグループは、 G.硫黄還元菌 突破口に感謝するために。 微生物は、タンパク質ナノワイヤーと呼ばれる小型ケーブルを合成し、種内の通信に使用します。これらのケーブルは、自然環境下で長期間劣化することなく存続する充電導体です。 （覚えておいてください、それらはオクラホマの溝のために進化したものです。）それらは、デバイス製造用であっても非常に安定しているとヤオ氏は言います。技術者にとって、ナノワイヤの最も注目すべき特性は、イオンがナノワイヤに沿っていかに効率的に移動するかということです。ナノワイヤは、人間の細胞と人工ニューロンの間で電荷を転送する低エネルギー手段を提供するため、別個の増幅器や変調器の必要性が回避されます。 「そして驚くべきことに、この素材はこの目的のために設計されています」とヤオ氏は言います。同グループは、細菌の体からケーブルを切り取り、物質を精製して溶液中に懸濁する方法を開発した。研究チームは混合物を広げて水を蒸発させ、タンパク質ナノワイヤー材料から作られた1分子の薄いフィルムを残した。この効率により、人工ニューロンは大幅な電力節約を実現します。ヤオ氏のグループは、このフィルムをニューロンの中心部にあるメモリスタに組み込んで、センサが認識した信号にメモリスタを応答させる反応のエネルギー障壁を下げた。研究者らによると、この革新により、人工ニューロンは他の人工ニューロンの10分の1の電圧と1/100の電力を使用するという。 シカゴのティアン氏は、この「非常に印象的な」エネルギー効率は「将来の低電力、埋め込み型、生体統合コンピューティング システムにとって不可欠」であると考えています。研究者らによると、この合成ニューロン設計は電力の利点により、あらゆる種類のアプリケーションにとって魅力的なものになっているという。 身体からの刺激に適応する人工装具のような、応答性の高いウェアラブルエレクトロニクスは、これらの新しい人工ニューロンを利用できる可能性があるとティアン氏は言います。最終的には、ニューロンに依存する埋め込み型システムが「生きた組織のように学習し、個別化医療と脳からインスピレーションを得たコンピューティングを進歩させ」、「生理学的状態を解釈し、エレクトロニクスと生きた知性を融合させるバイオハイブリッドネットワークにつながる可能性がある」と彼は言う。人工ニューロンは生物医学分野以外のエレクトロニクス分野でも役立つ可能性がある。ヤオ氏によると、チップ上の何百万個ものトランジスタをトランジスタに置き換えることで、電力使用量を削減しながら同じタスクを完了できるという。ニューロンの製造プロセスには高温は含まれず、シリコンチップメーカーが行うのと同じ種類のフォトリソグラフィーが利用されると同氏は言う。ただし、Yao 氏は、エレクトロニクス用にこれらの人工ニューロンをスケールアップする際に、メーカーが直面する可能性のある 2 つのボトルネックを指摘しています。 1 つ目は、より多くのタンパク質ナノワイヤを取得することです。 G.硫黄還元菌。彼の研究室では現在、わずか 100 マイクログラムの物質（食卓塩 1 粒の質量に相当）を生成するために 3 日間作業を行っています。そして、その量では非常に小さなデバイスしかコーティングできないため、Yao 氏は、プロセスのこのステップを生産に向けてどのようにスケールアップできるか疑問を抱いています。 彼のもう 1 つの関心事は、シリコン ウェーハのスケールで膜の均一なコーティングをどのように達成するかということです。 「高密度の小型デバイスを作成したい場合、膜厚の均一性は実際には重要なパラメータです」と彼は説明します。しかし、彼のグループが開発した人工ニューロンは小さすぎるため、今のところ意味のある均一性テストを行うことはできません。 ティアン氏は、人工ニューロンが従来のコンピューティングにおけるシリコントランジスタに取って代わるとは期待しておらず、代わりに人工ニューロンを「生物学的適応性と電子的精度を融合するハイブリッドチップ」の並行製品として見ていると彼は言う。ヤオ氏は、遠い将来、そのような生物由来の機器が電子廃棄物に寄与しないことでも評価されるようになるだろうと期待している。ヤオ氏によると、ユーザーがデバイスを必要としなくなった場合は、環境に危険を及ぼさないため、生物学的成分を周囲の環境に廃棄するだけで済みます。 「この種の自然由来の微生物材料を使用することで、世界にとってより持続可能な、より環境に優しい技術を生み出すことができます」とヤオ氏は言います。あなたのサイトの記事からウェブ上の関連記事 #人工ニューロンが生体電子ギャップを橋渡し