2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Schema der Vorrichtung einer biohybriden chemischen Synapse: Als Reaktion auf das Aktionspotential setzt das Neuron Dopamin frei, das an den Elektroden oxidiert wird und die Leitfähigkeit des postsynaptischen Moduls verändert
Ingenieure haben eine biohybride chemische Synapse geschaffen, in der von lebenden Zellen freigesetztes Dopamin die Leitung der Elektroden eines neuromorphen Geräts moduliert. Der Mediator veränderte irreversibel die Sensitivität der postsynaptischen Blockade und simulierte eine langfristige Potenzierung. Der Artikel wurde in der Zeitschrift Nature Materias veröffentlicht.
Biohybrid neuromorphe Synapsen (erstellt in der Ähnlichkeit mit echten Neuronen) ermöglichen es Ihnen, elektronische Geräte mit lebenden Zellen zu verbinden. Üblicherweise wird in solchen Schnittstellen die elektrische Aktivität von Neuronen durch Mikroelektroden erfasst und moduliert – dadurch konnten Eigenschaften von Synapsen wie Kurz- und Langzeitpotenzierung und synaptische Gewichte reproduziert werden. In lebenden Systemen erfolgt die Kommunikation zwischen Zellen und die Neuanordnung von Synapsen jedoch als Reaktion auf chemische Signale von Neurotransmittern. Um ein lebendes System zu imitieren, ist es also notwendig, neuromorphen Geräten beizubringen, auf eine dynamische Konzentrationsänderung von Chemikalien zu reagieren.
Wissenschaftler aus Italien und den USA unter der Leitung von Francesca Santoro vom Italian Institute of Technology haben eine biohybride Synapse geschaffen, in der Dopamin-sekretierende Zellen (PC-12) die Rolle eines präsynaptischen Moduls spielen und ein neuromorphes Gerät als potsynaptische Domäne. In lebenden Systemen spielt Dopamin eine wichtige Rolle bei der synaptischen Plastizität und wird mit einer langfristigen Potenzierung und Synapsendepression in Verbindung gebracht.
Das neuromorphe Modul bestand aus Polyethylendioxythiophen-Polystyrolsulfonat-Elektroden: einer Gate-Elektrode und einem Kanal. Elektrische Impulse in ersteren lösten den Ionenfluss im Elektrolytmedium aus und beeinflussten die Kanalleitfähigkeit. Wenn sich Dopamin im synaptischen Spalt befand, wurde es an der Gate-Elektrode oxidiert und änderte seine Ladung, wodurch sich die Leitfähigkeit des postsynaptischen Kanals änderte. Der Abfluss von Dopamin (bei echten Synapsen durch die Wiederaufnahme des Neurotransmitters durch Neuronen realisiert) erfolgte über den Mikrofluinkanal, durch den Dopamin und sein Oxidationsprodukt aus der künstlichen Synapse ausgewaschen wurden.
Die Zellen überlebten auf dem neuromorphen Gerät und setzten Dopamin für mindestens 24 Stunden frei. Die Breite des synaptischen Spalts (der Abstand zwischen Zellmembranen und postsynaptischen Elektroden) betrug durchschnittlich 100 Nanometer, und an den Stellen des engsten Kontakts - fünf bis zehn Nanometer - entspricht dies der Größe echter Synapsen. Die Konzentration von Dopamin in der biohybriden Synapse betrug 10-15 Mikromol pro Liter.
Die Anwesenheit von Dopamin verursachte irreversible Veränderungen der Grundleitfähigkeit des postsynaptischen Kanals (synaptisches Gewicht) – so funktioniert die langfristige Potenzierung von Synapsen. Die Änderung der Leitfähigkeit war abhängig von der Zelldichte (je mehr Dopamin sie freisetzten, desto deutlicher war der Effekt) und von der Flussrate im Mikrofluidikkanal – wurde Dopamin zu schnell ausgewaschen, hatte es keine Zeit zum Oxidieren und die Änderung der Kanalleitfähigkeit wurde umgekehrt.
Langzeitpotenzierung an der biohybriden Synapse. Unten sind elektrische Impulse in der Gate-Elektrode, oben die Leitung des Kanals. Bei der Oxidation von Dopamin wird der Ionenfluss und damit die Leitfähigkeit irreversibel verändert
Im Laufe der Zeit, mit konstanter Freisetzung von Dopamin, akkumulierte synaptisches Gewicht. Wenn die Zellen den Sender nicht freisetzten, fand keine Langzeitpotenzierung statt. So simulierte das Gerät dynamische Interaktionen in einer chemischen Synapse: die Freisetzung eines Transmitters, seinen Ausfluss aus dem synaptischen Spalt und eine irreversible Änderung der Empfindlichkeit des postsynaptischen Neurons.
Veränderungen der Leitfähigkeit des postsynaptischen Kanals bei Freisetzung von Dopamin innerhalb von vier Stunden
Neuromorphe Geräte werden beispielsweise verwendet, um Prozessoren und Rechenmodule zu erstellen. Im vergangenen Jahr entwickelten Wissenschaftler einen Hybridprozessor, dessen 150 Kerne wie Neuronen angeordnet sind und über Axone, Synapsen, Dendriten und Perikaryons verfügen.
