ПИЯВКА И ТРАНЗИСТОР

6 мая, 1996, 00:00 Распечатать Выпуск №18, 6 мая-17 мая

Бионика компьютерной эпохи Мечты об управляемых протезах родились 125 лет назад. Тогда, после битвы...

Бионика компьютерной эпохи

Мечты об управляемых протезах родились 125 лет назад. Тогда, после битвы под Седаном, два врача прусской армии - Фритч и Гетциг - решили посмотреть, что получится, если раздражать током обнаженный мозг убитых. Получилось то же, что у Луиджи Гальвани, который за 80 лет до этого экспериментировал с лягушачьими лапками: мертвецы, на которых ставился этот опыт, шевелили руками и ногами.

Стоит ли удивляться, что первую гипотезу о возможности создания управляемых искусственных конечностей высказали именно они, Фритч и Гетциг, у которых талант военных хирургов счастливо сочетался с любознательностью, направленной на изучение физической основы управления органами. Мозговое электричество - вот что поможет «оживить» искусственную руку или ногу!

Но идея их так и осталась нереализованной. Искусственные конечности, действующие не хуже естественных, мы видим только в фильмах о суперменах. Бионика, о которой так много трубили в середине нашего века, уже давно влачит жалкое существование.

Однако ей, по-видимому, суждено возродиться. Об этом свидетельствуют эксперименты, поставленные Петером Фромхерцем в Биохимическом институте Макса Планка под Мюнхеном. Фромхерцу и его коллегам удалось установить двустороннюю связь между нервной клеткой и микроскопическим кремниевым чипом. И хотя между ними никакой электрический ток не пробегает, нейрон, стимулируемый чипом, приобретает заряд и отвечает на стимуляцию обычным своим разрядом.

Все эксперименты с электрической стимуляцией нервной ткани проводились до сих пор с помощью электродов. Какими бы тонкими и неокисляемыми они ни были, нервным клеткам они вредили. Фромхерц решил посылать сигнал нервной клетке без электродов - одной емкостной стимуляцией.

Электрическое напряжение, приложенное к чипу, возбуждает электрическое поле. Поле создает в нервной клетке заряд, и когда заряд достигает определенной величины, клетка заряжается и посылает импульс. Ни электродов, ни тока.

Четыре года назад немецким исследователям удалось сделать так, чтобы связь между клеткой и чипом установилась в обоих направлениях - точь-в-точь как в нервной системе, где мозг получает сигналы с периферии, а периферия - от мозга, и как следует строить систему управления в идеальном протезе.

Для своих опытов Фромхерц взял не человеческий нейрон, а нейрон пиявки. Он гораздо больше человеческого, и им очень легко манипулировать. Его длина - целых 50 микрон (миллионных долей метра). Это всего только вдвое меньше диаметра человеческого волоса, так что пиявочный нейрон можно свободно разглядеть в приличную лупу. Вот с транзистором, смонтированном на чипе, дело посложней: сторона этого квадратика не превышает пяти микрон, и тут без микроскопа не обойдешься. Но микроскоп - это для разглядывания, а для обращения с этими полуневидимками нужен управляемый компьютером микроманипулятор.

В чипах, с которыми экспериментирует группа Фромхерца, заключен кремниевый слой, несущий заряд. Он покрыт тонким слоем изоляции из окиси кремния. Этот изолирующий слой и соприкасается с мембраной нейрона. Для электрического тока он непроницаем, а электрическое поле, индуцируемое находящимся под ним заряженным слоем, пронизывает его беспрепятственно.

В зачаточном мозгу пиявки содержатся нейроны двух типов. Одни реагируют на легкое прикосновение к ее телу, побуждая ее извиваться, другие - на грубое, опасное, заставляя ее сжиматься. Для связи с чипом были испробованы нейроны обоих типов, причем каждый нейрон контактировал с чипом в 16 точках. Но Фромхерц считает, что это пока лишь маленький шажок к созданию бионических конечностей. Ведь нейрон с нейроном говорит на языке не емкостных, а электрохимических сигналов. Да и вживление кремниевой пластинки в живую ткань сопряжено со многими трудностями. Протиснулись между нею и нейронами белковые клетки, оттеснили нейрон от чипа - и все пошло насмарку.

Однако Фромхерц задумывает новые, более сложные опыты, в ходе которых многие препятствия будут, возможно, преодолены. И не он один. Во многих странах начинают испытывать своеобразные сочетания искусственных материалов и живой ткани. В университете штата Нью-Йорк в Буффало, в Морской лаборатории в Вашингтоне, в университете Лозанны, в лаборатории фирмы «Кодак» в Рочестере (Англия) пытаются связать нервные клетки с тефлоном.

«Мы надеемся разработать новые способы заживления ран, точнее способы создания материала для заживления», - рассказывает Джозеф Гарделла, химик из университета штата Нью-Йорк. Что же это за материал? Обыкновенная нервная ткань, но выращенная необыкновенным способом - на тонкой тефлоновой подложке.

На подложке гравируют специальный рисунок, который затем служит каркасом для направленного роста сети из нервных клеток, почти буквально высеянных на тефлоновой «грядке».

Между прочим, близкий родственник тефлона - фторопласт гортекс, из которого делают изолирующие прокладки для пальто и перчаток, широко применяется при лечении парадонтоза. Из него получаются отличные пористые ячейки, в которых также направленно растут костные клетки. А недавно решено высевать в гортексе клетки для нервной ткани, а также для материала, которым можно будет латать износившиеся части сердечно-сосудистой системы.

Джозеф Гарделла и его коллеги берут для выращивания нервные клетки пиявок, планарий и прочих больших червей. Но для Фромхерца и его группы пиявки - пройденный этап. Опередив всех, он уже экспериментирует с нейронами крыс. Манипулировать ими намного труднее, но зато интереснее. Нейрон пиявки живет вне ее мозга не больше недели, а крысиный - несколько месяцев. Фромхерц исследует не просто нейроны, а нейроны гиппокампа - мозговой структуры, играющей ведущую роль в процессе памяти.

Как знать, не удастся ли в конце концов, вырастив нейронную сеть с такой специализацией и подключив ее к тысячам транзисторов, разгадать механизм памяти? Или, как предпочитает осторожно говорить Фромхерц, хотя бы приблизиться к разгадке.

Оставайтесь в курсе последних событий! Подписывайтесь на наш канал в Telegram
Заметили ошибку?
Пожалуйста, выделите ее мышкой и нажмите Ctrl+Enter
Добавить комментарий
Осталось символов: 2000
Авторизуйтесь, чтобы иметь возможность комментировать материалы
Всего комментариев: 0
Выпуск №42-43, 10 ноября-16 ноября Архив номеров | Содержание номера < >
Вам также будет интересно