До полноценного биокомпьютера остался один шаг

Отдельные стволовые клетки в «фиалах». Из них потом можно выращивать любые органоиды. Иллюстрация Physorg

Термин «инжиниринг» все увереннее используется в отношении генов и белков (протеинов), живых клеток. Биоинжиниринг подразумевает создание новых вакцин и терапевтических наночастиц, а также методов реализации потенциала стволовых клеток и органоидов. Эти органоиды как раз и получают из клеток различных органов и тканей.

Уже существуют образцы многоэлектродных плат, которые вводятся под кости черепа для позиционирования (определения локализации) эпилептических очагов с целью более эффективного воздействия на них. Чаще всего это делается в диагностических целях и не подразумевает долговременной «эксплуатации». Все же золотые и серебряные электроды пока несовместимы с нежными нервными клетками, поэтому должны удаляться...

Когда-то электрод представлял из себя плоскую платину. Потом появились проволочные, которые вводились в мозговую ткань для регистрации нейрональной активности. Но техника совершенствовалась и миниатюризировалась. Появились культуры тканей – сначала 2D, а затем и 3D.

Нобелевскую премию за использование электродов для выявления механизма распространения нервного импульса с помощью ионных токов вручили еще 60 лет назад. Можно сказать, с того момента и родилась идея создания биокомпьютера, роль процессоров в котором выполняли бы нейроны. Дело в том, что нейроны используют для связи с другими клетками электрические импульсы. От тела нервной клетки сигнал уходит к синапсу – точке нейрональных контактов, где выделяет в синаптическую щель глютаминовую аминокислоту или гамма-аминомасляную (ГАМК). Оба вещества имеют определенный заряд, который можно использовать в сочетании с металлическими электродами компьютерных плат. Тем самым создается интерфейс живой ткани с косной металлической.

До 2006 года это было лишь в теории. Но японец Синъя Яманака доказал, что с помощью переноса в клетки взрослого организма четырех генов их можно сделать чуть ли не эмбриональными: они дают все клеточное разнообразие органов и тканей. Отсюда и их название – плюропотентные. За это достижение японцу чуть ли не сразу же дали Нобелевскую премию, и весь мир включился в клеточно-инжиниринговую гонку.

Из стволовых плюропотентных клеток стали получать культуры тканей, а затем и сфероиды. В конце концов научились делать органоиды не только здоровых, но и больных тканей. Проблема состояла в том, что клетки очень разнообразны по своему геному и его активности. И это затрудняет получение «чистого» материала. Эту задачу удалось решить исследователям из университета города Дарэм, что в штате Северная Каролина (США). Биоинженеры сумели «рассадить» стволовые клетки «квадратно-гнездовым» способом по отдельным «фиалам» (vials). (Нечто подобное можно видеть на примере горшочков, в которых выращивается салат.) Это упростило получение чистых линий стволовых клеток и позволило автоматизировать процесс.

Результатом биоинжиниринга стало создание в университете Гопкинса в г. Балтиморе (США) первого вполне функционального биокомпьютера. Роль процессора выполняет как раз созданный органоид с нейронами. Авторы статьи в приложении журнала Nature отмечают, что их гибридное детище с точностью 78% распознало голос одного из восьми человек.

Такого рода устройства могут использоваться для изучения молекулярных механизмов развития нейродегенеративных болезней (Альцгеймера, Паркинсона). Но для решения более объемных задач требуются гораздо большие «мозги». А выращиванию их сегодня мешает необходимость поддержания их жизнеспособности, ведь «кормить» клетки надо в режиме 24/7. С другой стороны, в будущем можно ожидать замену нынешних силиконовых нейросетей ONN, то есть органоидными NeuroNets. Обучение нейронов органоида осуществляли с помощью прямоугольных стимулирующих импульсов напряжения. В результате чего и достигнут эффект «запоминания» характерных особенностей голоса одного из восьми добровольцев.

Авторы работы утверждают, что органоид полностью имитирует принципы, положенные в основу электронных устройств. При этом они использовали систему искусственного интеллекта, требующую наличия адаптивного резервуара накапливаемой информации. Результат обработки этой информации затем перенаправляется органоидом на компьютерный чип. В частности, была получена такая важная функция, как нелинейное угасание памяти, без которого затрудняется анализ последующих стимулов. Интересно, что обучение нейронного органоида изменяло форму его функциональной связи с электродами мультиэлектродной платы (МЕА, MultiElectrode Array).

Детали получения нейронных органоидов свидетельствуют о том, что они выращивались в течение 203 месяцев, в результате «набирали» около 100 млн нервных клеток. Это неизмеримо мало по сравнению с 80–100 млрд нейронов в мозге человека. И все-таки, по некоторым оценкам, к 2048 году биокомпьютеры станут реальностью и по своей производительности будут конкурировать с квантовыми.