С 1985 года исследователи начали оценивать реальные возможности создания имплантантов, которые обеспечивали бы прямой двусторонний интерфейс между человеческой нервной тканью и кремниевой электроникой. И в первую очередь встал вопрос о том, как соединить между собой две эти системы: жидкостную и кристаллическую. Другими словами, как сделать работоспособное кремниево-нейронное соединение?

Первые экспериментальные результаты в этой области были достигнуты в 1991 и 1995 годах. Тогда нервные клетки пиявки располагали на поверхности транзисторов и пытались установить двусторонний контакт между клетками и электронными компонентами.

Но эти чипы работали либо с очень ограниченным числом нейронов, либо – с большим числом, но не с каждым по отдельности, а с группами.

В рамках же проекта NACHIP ученые планомерно идут к главной цели – взаимодействию компьютера с набором живых клеток (индивидуально) с возможностью не только получать от них информацию, но и влиять на работу генов в этих клетках.

Основные авторы NACHIP: Петер Фромхерц из отдела мембран и нейрофизики Института биохимии Макса Планка, Стефано Вассанелли из отдела физиологии и анатомии человека Университета Падуи и Николас Грифф из Института физиологии университета Цюриха.

Самое примечательное в проекте NACHIP и то, что отличает его от предшествующих работ, – "двусторонний подход" для решения проблемы тесного и эффективного взаимодействия живых нейронов и электроники.

Рис. 1. Схема подключения нейронов крысы на матрице транзисторов

Должна ли электроника стать более "живой", чтобы работать с нейронами, или нейроны нужно менять, чтобы научить их хорошо взаимодействовать с чипами?

А зачем выбирать? Нужно сделать и то, и другое. Так авторы проекта и поступили. С одной стороны, они использовали методы генной инженерии, чтобы подкорректировать строение нейронов, сделав их более "общительными", а с другой – применили новейшие методы микроэлектроники, чтобы максимально адаптировать чип к нейронам.

Специальный чип с поперечником всего в 1 миллиметр содержит 16 тысяч 384 транзистора и сотни конденсаторов. Когда на него высаживаются нервные клетки, транзисторы получают от них сигналы, а конденсаторы под управлением транзисторов посылают сигналы от электроники – нейронам.

С точки зрения физики, взаимодействие нейронов и схемы происходит благодаря перемещению ионов натрия через клеточную мембрану, что меняет локальный её заряд, на который реагирует транзистор. В свою очередь, управляемый электроникой заряд на конденсаторе влияет на ионный ток через мембрану, заставляя нейрон реагировать на "запрос" извне.

Использовав генную инженерию, исследователи (а работали они сначала с нейронами улитки как с более крупными и простыми, а потом – с нейронами крыс как с более сложными и меньшими по размеру) модифицировали нейроны животных, увеличив в их оболочках число ионных каналов и повысив их активность.

В дальнейших работах исследователи сосредоточились на более сложных интерфейсах. Таких, например, как «чип-нейрон-нейрон-чип». Изучение процессов, происходящих в естественных нейронных сетях, поможет разобраться в работе механизмов памяти и обучения. А также пролить свет на так называемые «нейрокоды» — набор сигналов, с помощью которых происходит обмен информацией в нервных тканях. Для этого был создан чип, содержащий на своей поверхности ряд нейронов, синаптически связанных между собой в сеть.

Сами чипы также существенно изменились: их покрыли белками, которые в мозге связывают нейроны вместе (своего рода клей) и также активируют ионные каналы в нейронах. В новых чипах были применены транзисторы с уменьшенным шумом, участки для возбуждения нейронов и соседние с ними транзисторы были сближены до нескольких микронов, чтобы можно было посылать импульс и получать отклик от одного единственного нейрона.

Тесное взаимодействие нервных клеток и схемы позволяет исследователям рассчитывать на следующий шаг: "Должно быть, можно заставить сигналы чипа влиять на нейрон так, чтобы в нём включался новый ген, — говорит Вассанелли. — Чип создан. И мы планируем использовать его, чтобы попробовать включать и отключать гены".

Как это будет происходить? Химический состав, который непосредственно выключал бы ген, должен быть добавлен в лабораторную чашку, содержащую гибрид нейронов с чипом. Электроника же будет, по замыслу биологов, определять, какая из живых клеток, подсоединённых к чипу, отреагирует на раствор, а какая – нет, за счёт влияния на работу клеточных мембран.

Итальянский участник проекта говорит, что такие опыты, с одной стороны, дадут возможность лучше понять работу нейронов, а с другой - позволят создавать новые устройства, скажем, чипы с памятью на основе живых клеток.

Также возможно будет создание чипов-протезов, помогающих в работе организма при заболеваниях нервной системы, или просто чипов, контролирующих состояние здоровья человека.

Ученые не отрицают и того, что на основе нейрочипов можно будет сконструировать память на отдельных живых клетках. Однако до сих пор довольно трудно сохранить культуру жизнеспособной даже в недрах «дружелюбного» нейрочипа.

После опытов с нейронами животных экспериментаторы намерены взяться за человеческие. Главное - задача совмещения миниатюрной электроники с нервными клетками в организме (а не на лабораторном столе) уже в том или ином виде решена.

Четыре года назад не было речи о том, чтобы сконструировать что-то сложнее системы «нейрон-транзистор». Сейчас созданы отдельные нейронные цепи, управляемые микроэлектроникой. Но, как говорят исследователи, нейроэлектроника только начинается. Исследователи надеются создать электронные матрицы, на которых нейронные сети смогут расти и развиваться, изменяя свою структуру по сигналам, поступающим от микроэлектронных устройств. Как утверждает один из исследователей, Берт Мюллер: «Интеграция живых нейросетей в современную CMOS-микроэлектронику будет прорывом как в биоэлектронике, так и в человеческой жизни вообще».

Теперь на горизонте вырисовываются такие перспективы, как генная коррекция вашего тела с личного ноутбука или периодический апдейт генома по Интернету, направленный на иммунизацию против, например, птичьего гриппа.