|
Биотехнологии приведут к созданию бионического глаза
|
|
|
|
Новый дизайн глазных и мозговых имплантатов черпает вдохновение в природе. Исследователи UO вырастили нейроны сетчатки грызунов на электроде с фрактальным рисунком, который имитирует повторяющийся образец ветвления, в котором нейроны растут естественным образом. Это на шаг ближе к созданию бионического глаза, давней цели физика UO Ричарда Тейлора. Тейлор надеется, что крошечные электроды когда-нибудь можно будет имплантировать в глаза, чтобы восстановить зрение у людей с дегенерацией желтого пятна или другими нарушениями зрения.
|
|
|
|
Новая работа предоставляет экспериментальные доказательства, подтверждающие догадку, которую его команда вынашивала в течение многих лет, о том, что нейроны, которые сами по себе являются фракталами, будут лучше подключаться к электродам с фрактальным рисунком, чем к электродам более традиционной формы, что обеспечивает лучшую передачу сигнала между имплантатом и мозгом. Тейлор и его коллеги сообщают о своих выводах в статье, опубликованной 6 апреля в журнале PLOS One. «Причина, по которой я так взволнован, заключается в том, что эта статья представляет собой данные за три года, в которых исследуется, что происходит, когда эти клетки сетчатки взаимодействуют с фрактальным электродом», — сказал он.
|
|
|
Нервные имплантаты выглядят футуристично, но они уже используются для помощи людям с различными состояниями, от болезни Паркинсона до травм спинного мозга. Чип, который стимулирует определенное место в мозгу, может помочь уменьшить тремор или даже восстановить способность двигаться, говорить или видеть. Чтобы успешно отправлять сигналы в мозг или глаз, имплантированный электрод должен иметь возможность подключаться к сети существующих нейронов. Нейроны естественным образом растут в виде древовидного фрактального узора, что приводит к все более тонким ветвям.
|
|
|
|
Большая часть электроники не имеет такой формы; они предназначены для использования внутри машин, а не живых существ. Вместо этого, подумал Тейлор, почему бы не уговорить нейроны подключаться к электроду в соответствии с их тенденцией? «Вы хотите, чтобы нейроны прикреплялись для стимуляции; это конечная цель при разработке любого типа электрода», — сказал Саба Мослехи, научный сотрудник лаборатории Тейлора. «И когда два объекта имеют очень похожие характеристики, они будут иметь больше склонности к взаимодействию по сравнению с объектами, которые имеют совершенно разные характеристики».
|
|
|
|
Тейлор, физик, специализирующийся на фракталах, представил эту идею на конкурс исследований в области наук о жизни в 2014 году. К его удивлению, она победила почти тысячу конкурирующих идей. И с тех пор с помощью профессоров UO Бенджамина Алемана и Криса Найла, а также сотрудников Лундского университета в Швеции его группа изучает его потенциал. В прошлых исследованиях они проводили компьютерное моделирование, которое предполагало, что электроды с фрактальным рисунком будут более эффективными, чем электроды традиционной формы. Затем для экспериментальной проверки идеи команда UO использовала электроды из гладких кремниевых чипов с разветвлениями из углеродных нанотрубок, нанесенными на поверхность чипа.
|
|
|
|
Нейроны предпочитают прикрепляться к текстурированным нанотрубкам, поэтому исследователи могут контролировать, где нейроны будут прикрепляться к электроду, изменяя карту нанотрубок на его поверхности. Мослехи вместе со студентами-докторантами Конором Роулендом и Джулианом Смитом использовали оборудование в Центре перспективных характеристик материалов UO в Орегоне для создания на основе кремния углеродных нанотрубок, расположенных в виде фрактального узора в форме повторяющейся буквы H. Для сравнения, они также сделали чипы с нанотрубками, расположенными параллельными линиями, дизайн, который можно увидеть на коммерчески доступном электродном чипе.
|
|
|
|
Затем они отследили, как нейроны сетчатки мыши растут на чипах, используя клетки, культивированные в чашке Петри. Эксперимент показал, что нейроны чаще прикрепляются к текстурированным фрактальным ветвям, чем к гладким промежуткам между ветвями. А глии, важные опорные клетки для нейронов, плотно упакованы в гладкие щели. Фрактальный дизайн оказался наиболее эффективным в этом «стадном скоплении» нейронов и глии. «По-настоящему умно то, что нам удалось поместить глиальные клетки в промежутки», — сказал Тейлор. «Глия — это система жизнеобеспечения нейронов, и нам необходимо вызвать благоприятные взаимодействия как с нейронами, так и с глиальными клетками».
|
|
|
|
Работа все еще находится на ранней стадии, подчеркнул Тейлор. Для проведения испытаний на животных потребуются дополнительные инженерные испытания и испытания на безопасность. Но в конечном итоге исследователи надеются, что их конструкция превратится в реально существующее устройство, которое сможет помочь людям с потерей зрения. И электроды с фрактальным рисунком, вдохновленные биографией, могут найти применение в исследованиях мозговых имплантатов помимо бионического глаза. «Я думаю, что это могло бы помочь не только системе, которую мы тестировали, но и имплантам в других частях нервной системы», — сказал Мослехи. «Я надеюсь, что больше исследователей перейдут к использованию фрактальных электродов, а не коммерческих образцов».
|
|
|
|
Источник
|
