Био-наноэлектронные интерфейсы
|
Введение
Биотехнологии в настоящее время активно развиваются во всем мире, однако пожалуй единственный человеческий орган, принцип работы которого еще до конца не известен науке, это человеческий мозг. При этом возникает проблема диагностики состояния головного мозга, связанная с его изолированным расположением и недоступностью этого органа, о котором позаботилась природа, снабдив его прочным внешним покровом. Использование внешнего измерительного оборудования позволяет ученым лишь косвенно анализировать активность мозга и не дает полного понимания того как именно функционируют отдельные его элементы. Для изучения элементарных принципов работы мозга, основных законов кодирования, передачи и распознания информации проводятся исследования на клеточном уровне. Для этого клетки мозга – нейроны сначала выделяют из живой ткани, а затем размножают и выращивают в лабораторных условиях, после чего на них уже становится возможно проводить эксперименты вне организма (in vitro). Подобные исследования позволяют заранее выявить различные эффекты воздействия новых препаратов и более глубоко изучить микроокружение клеток. Понимание физиологических механизмов работы нашего мозга через изучение принципов работы нейронных сетей, в будущем может помочь в борьбе с различными зависимостями, параличом, раком, хроническими заболеваниями, нарушениями моторики и потерями памяти.
|
|
Установление связей
Один из самых интересных областей биотехнологии сегодня является интеграция биологических элементов в традиционных элементы электроники для создания физиологических датчиков окружающей среды, контроля за состоянием организма, а также для создания искусственных имплантов. Данная задача подразумевает формирование искусственных связей между отдельными нейронами или нейронными сетями и мульти-электронными системами (матрицами). В идеале такая система должна обеспечить неинвазивный интерфейс между нейронами и электродами, поскольку введение электрода может повлиять на состав внутриклеточной жидкости. При этом возникает проблема, связанная с соотношением сигналов возбуждения и сигнала, снимаемого с выходов электродов: потенциал внеклеточной стимуляции составляет единицы вольт, тогда как потенциал, снимаемой с внеклеточных электродов составляет десятки микровольт. Для решения этой проблемы мультиэлектродные системы комплектуют сверхточной, дорогостоящей измерительной аппаратурой. Альтернативное решением этой проблемы может быть найдено путем создания устройств, которые генерируют большое локальное электрическое поле.
|
|
Исследование
В настоящее время наша научная группа ведет работу по созданию системы регистрации электрической активности клеток с использованием углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки — это уникальный материал, сходный по своей геометрии с коллагеновыми волокнами, которые являются основой соединительной ткани. Ранее мы показали, что, углеродные нанотрубки могут способствовать клеточной пролиферации [1,2], а также могут быть использованы в качестве каркасного материала при регенерации поврежденных участков живой ткани [3]. Кроме того, благодаря своим уникальным свойствам проводимости, колоссальной механическая прочности и высокой гибкости — нанотрубки также являются очень перспективным материалом для создания элементов электроники таких как транзисторы и гибкие дисплеи [4].
|
|
Использование нанотрубок для регистрации и исследования клеточной активности является достаточно новым научным направлением, тем не менее, имеются огромные перспективы в применении нанотрубок для локализации электрического поля в области контакта клеток с электродами, что позволит снизить габариты измерительных систем до размеров мобильного телефона. На основе таких биологических систем, к примеру, можно будет построить схемы управления для роботов, которые будут ориентироваться в пространстве с помощью сигналов, обрабатываемых живой нейронной сетью. В отличие от искусственных нейронных сетей, запрограммированных человеком, которые могут лишь имитировать работу мозга, в наших экспериментах мы используем нейроны животных, культивированные вне организма, которые обладают всеми теми же функциями что и клетки человеческого мозга. Поэтому основной задачей в данном случае остается создание гибридного интерфейса передачи информации между клетками и устройствами электроники с помошью углеродных нанотрубок.
Список литературы:
1. Бобринецкий И. И., Морозов Р. А., Подгаецкий В. М., Симунин М. М., Яминский И. В. Исследование объемного нанотрубочного композита на основе альбумина методами микроскопии высокого разрешения. Биофизика, 2011; Т.56, N 2 С. 212-219
2. И.И. Бобринецкий, Р.А. Морозов, А.С. Селезнёв, Р.Я. Подчерняева , О.А. Лопатина. Перспективы использования углеродных нанотрубок в качестве каркасного материала в инженерии биологических тканей.\\Клет. трансплантология и тканев.инженерия.-2011 Том VI.
3. Бобринецкий И.И., Морозов Р.А., Селезнев А.С., Подчерняева Р.Я., Лопатина О.А. Исследования пролиферативной активности и жизнеспособности клеток фибробласта и глиобластомы на различных типах углеродных нанотрубок // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 2012 г. - Т. 153. - № 2. - С. 227-232.
4. Бобринецкий И. И. Методы параллельной интеграции углеродных нанотрубок при формировании функциональных устройств микроэлектроники и сенсорной техники Микроэлектроника. – М.: 2009. - Том 38. - № 5. - C. 353–360.
|