リンショーピン大学(LiU)の研究者は、生物の神経細胞の特徴を忠実に模倣した人工有機ニューロンを作製しました。この人工神経細胞は、天然の神経を刺激することができるため、今後、さまざまな医療への応用が期待されます。 Researchers at Linköping University (LiU) have created an artificial organic neuron that closely mimics the characteristics of biological nerve cells. This artificial neuron can stimulate natural nerves, making it a promising technology for various medical treatments in the future.
2023-01-13 スウェーデン・リンショーピング大学
「実際の生体神経細胞を効果的に模倣した人工神経細胞を作る上で、重要な課題の1つは、イオン変調を組み込む能力です。シリコンでできた従来の人工神経細胞は、多くの神経機能をエミュレートすることができますが、イオンを介した通信を行うことができません。これに対して、c-OECNは、イオンを使って実際の生物学的ニューロンのいくつかの重要な特徴を示すことができます」と、LOEの有機ナノエレクトロニクスグループの主任研究員であるSimone Fabiano氏は言う。
2018年、リンショーピン大学のこの研究グループは、負電荷を伝導できる材料であるn型導電性ポリマーをベースにした有機電気化学トランジスターをいち早く開発した。これにより、印刷可能な補完的有機電気化学回路を構築することが可能になりました。その後、このトランジスタを印刷機で薄いプラスチック箔に印刷できるように最適化する研究を行ってきた。その結果、現在では、柔軟な基板上に数千個のトランジスタを印刷し、それを使って人工神経細胞を開発することが可能になっている。
今回開発した人工神経細胞では、イオンを使ってn型導電性高分子に流れる電流を制御し、デバイスの電圧を急上昇させることができる。この過程は、生体の神経細胞で起こるものと類似している。また、この人工神経細胞のユニークな材料は、生物学で見られるナトリウムイオンチャネルの活性化と不活性化に似た、ほぼ完全なベル型の曲線で電流を増減させることができる。
「このような挙動を示すポリマーは他にもいくつかありますが、乱れに強く、安定したデバイス動作を可能にするのは剛直なポリマーだけです」と、Simone Fabianoは言う。
カロリンスカ研究所(KI)と共同で行った実験では、新しいc-OECNニューロンをマウスの迷走神経に接続した。その結果、人工ニューロンがマウスの神経を刺激し、心拍数が4.5%変化することが確認された。
迷走神経そのものを刺激することができるということは、長期的には様々な医療への本質的な応用の道を開く可能性がある。一般に、有機半導体は生体適合性、柔軟性、可鍛性に優れており、迷走神経は身体の免疫系や代謝など重要な役割を担っているため、有機半導体を用いた人工ニューロンは、迷走神経を刺激することで、生体適合性、柔軟性、可鍛性を高めることができる。
研究者たちの次のステップは、人工神経細胞のエネルギー消費量を減らすことだ。この消費量は、人間の神経細胞の消費量よりもまだはるかに多い。自然を人工的に再現するためには、まだ多くの課題が残っている。
「人間の脳や神経細胞については、まだ完全に解明されていないことがたくさんあります。実際、神経細胞がこれら15個の実証された特徴の多くをどのように利用しているかは分かっていない。神経細胞を模倣することで、脳をより深く理解し、知的な作業を行うことができる回路を作ることができるようになるのです。と、ポスドクで科学論文の主執筆者であるPadinhare Cholakkal Harikeshは語る。「前途は長いですが、この研究は良いスタートです。
<関連情報>
- https://liu.se/en/news-item/konstgjorda-nervceller-nastan-som-biologiska
- https://www.nature.com/articles/s41563-022-01450-8
イオン・電子混合導電性高分子におけるイオン調整可能な反両極性により、バイオリアリスティックな有機電気化学ニューロンを実現する Ion-tunable antiambipolarity in mixed ion–electron conducting polymers enables biorealistic organic electrochemical neurons
Padinhare Cholakkal Harikesh,Chi-Yuan Yang,Han-Yan Wu,Silan Zhang,Mary J. Donahue,April S. Caravaca,Jun-Da Huang,Peder S. Olofsson,Magnus Berggren,Deyu Tu & Simone Fabiano
Nature Materials Published:12 January 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-022-01450-8
Abstract
Biointegrated neuromorphic hardware holds promise for new protocols to record/regulate signalling in biological systems. Making such artificial neural circuits successful requires minimal device/circuit complexity and ion-based operating mechanisms akin to those found in biology. Artificial spiking neurons, based on silicon-based complementary metal-oxide semiconductors or negative differential resistance device circuits, can emulate several neural features but are complicated to fabricate, not biocompatible and lack ion-/chemical-based modulation features. Here we report a biorealistic conductance-based organic electrochemical neuron (c-OECN) using a mixed ion–electron conducting ladder-type polymer with stable ion-tunable antiambipolarity. The latter is used to emulate the activation/inactivation of sodium channels and delayed activation of potassium channels of biological neurons. These c-OECNs can spike at bioplausible frequencies nearing 100 Hz, emulate most critical biological neural features, demonstrate stochastic spiking and enable neurotransmitter-/amino acid-/ion-based spiking modulation, which is then used to stimulate biological nerves in vivo. These combined features are impossible to achieve using previous technologies.
