Konstgjorda nervceller nästan som biologiska
Forskare vid Linköpings universitet (LiU) har skapat en artificiell organisk neuron som nära efterliknar biologiska nervcellers egenskaper. Denna artificiella neuron kan stimulera naturliga nerver, vilket gör den till en lovande teknologi för olika medicinska behandlingar i framtiden.
Kemiska transistorer används i de artificiella neuronerna. Foto: Thor Balkhed.
Arbetet med att utveckla allt mer funktionella artificiella nervceller fortsätter vid Laboratoriet för organisk elektronik, LOE. I början av 2022 demonstrerade en grupp forskare under ledning av docent Simone Fabiano hur en artificiell organisk neuron kunde integreras i en levande köttätande växt och få denna att öppna och stänga sig. Denna syntetiska nervcell uppfyllde två av de 20 egenskaper som skiljer den från en biologisk nervcell.
I sin senaste studie, publicerad i tidskriften Nature Materials, har samma forskare utvecklat en ny artificiell nervcell som kallas ”konduktansbaserad organisk elektrokemisk neuron”, c-OECN, som nära efterliknar 15 av de 20 neurala egenskaper som kännetecknar biologiska nervceller. Det gör dess funktion mycket mer lik naturliga nervceller.
– En av utmaningarna med att skapa artificiella neuroner som liknar verkliga nervceller är förmågan till jonmodulering. Traditionella artificiella neuroner gjorda av kisel kan efterlikna många egenskaper men kan inte kommunicera genom joner. Däremot använder c-OECN joner för att efterlikna flera nyckelegenskaper i biologiska nervceller, säger Simone Fabiano, forskningsledare för organisk nanoelektronik vid LOE.
2018 var forskargruppen vid LiU en av de första att utveckla organiska elektrokemiska transistorer baserade på ledande polymerer av n-typ, vilket är material som kan leda negativa laddningar. Det gjorde det möjligt att bygga tryckbara organiska elektrokemiska kretsar, och sedan dess har gruppen optimerat transistorerna så att de kan tryckas på en tunn plastfolie. Därmed är det nu möjligt att skriva ut tusentals transistorer på ett flexibelt substrat och använda dem för att utveckla artificiella nervceller.
I den nyutvecklade artificiella neuronen används joner för att kontrollera flödet av elektrisk ström genom en ledande polymer av n-typ, vilket leder till toppar i enhetens spänning. Denna process liknar den som sker i biologiska nervceller. Materialet i den konstgjorda nervcellen gör också att strömmen kan ökas och minskas i en nästan perfekt klockformad kurva som liknar aktivering och inaktivering av natriumjonkanaler inom biologin.
– Flera andra polymerer visar detta beteende, men bara stela polymerer är motståndskraftiga mot störningar, vilket möjliggör stabil drift av enheten, säger Simone Fabiano.
I experiment utförda i samarbete med Karolinska Institutet (KI) kopplades de nya c-OECN-neuronerna till vagusnerven hos möss. Resultaten visar att den artificiella neuronen kunder påverka mössens nerver, vilket orsakade en förändring på 4,5 procent i djurens hjärtfrekvens.
Att den artificiella neuronen kan stimulera vagusnerven kan på sikt kunna bana väg för viktiga tillämpningar inom olika former av medicinsk behandling. Generellt sett har organiska halvledare fördelen av att vara biokompatibla, mjuka och formbara, medan vagusnerven spelar en nyckelroll i till exempel kroppens immunförsvar och ämnesomsättning.
Nästa steg för forskarna blir nu att minska energiförbrukningen för de artificiella neuronerna, som fortfarande är mycket högre än för mänskliga nervceller. Mycket arbete återstår att göra för att helt efterlikna naturen på konstgjord väg.
– Det är mycket vi fortfarande inte helt förstår om den mänskliga hjärnan och nervcellerna. Faktum är att vi inte vet hur nervcellen använder alla de 15 egenskaper vi visat i studien. Att härma nervcellerna kan göra det möjligt för oss att förstå hjärnan bättre och bygga kretsar som kan utföra intelligenta uppgifter. Vi har en lång väg framför oss, men den här studien är en bra början, säger Padinhare Cholakkal Harikesh, postdok och huvudförfattare till den vetenskapliga artikeln.
Studien finansierades av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Vetenskapsrådet, Olle Engkvists Stiftelse, Vinnova, Europeiska kommissionen samt det strategiska forskningsområdet för avancerade funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet.
Artikeln: Ion-tunable antiambipolarity in mixed ion-electron conducting polymers enables biorealistic organic electrochemical neurons Padinhare Cholakkal Harikesh, Chi-Yuan Yang, Han-Yan Wu, Silan Zhang, Mary J. Donahue, April S. Caravaca, Jun-Da Huang, Peder S. Olofsson, Magnus Berggren, Deyu Tu, Simone Fabiano Nature Materials Publicerad online den 12 januari 2023 DOI: 10.1038/s41563-022-01450-8
