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.