• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
21.02.2022
НИЦ «Курчатовский институт»
1 555

Создана схема устройства для людей с травмой спинного мозга

4.8

Ученые Курчатовского института совместно с коллегами разработали схему устройства, способного помочь людям, получившим травму спинного мозга, заново научиться ходить. Прибор на основе мемристоров — микроэлектронных компонентов, способных «запоминать» предыдущие воздействия, возьмет на себя функции соединения между поврежденными нейронными структурами, генерирующими последовательность импульсов для каждого шага.

Создана схема устройства для людей с травмой спинного мозга / ©Getty images / Автор: Sycophanta Duccius

Публикация об этом исследовании вышла в журнале «Российские нанотехнологии». В детстве многие из нас читали сказку о сороконожке, которую спросили, как она выбирает, с какой ноги шагать: задумавшись, бедняжка просто не смогла идти дальше. И даже если ног всего две, процесс не так прост – необходимо согласованно напрягать и расслаблять мускулы, учитывая при этом данные с сенсоров кожи стоп (сигнализирующие, например, о забытой на ковре детальке Lego).

К счастью, большую часть ответственности за ходьбу и другие движения берут на себя «ансамбли» нейронов, расположенные в спинном мозге — так называемый центральный генератор упорядоченной активности (ЦГУА). В ответ на желание начать движение он формирует последовательности импульсов, служащих командой для мыщц. Если же работа нейронов нарушена в результате травмы, вполне здоровые мышцы окажутся парализованы. Исследователи разработали принципиальную схему устройства, которое способно создать необходимую цепочку (паттерн) сигналов, потенциально заменив собой поврежденный ЦГУА.

Основные рабочие компоненты схемы — это мемристоры (от memory + resistor), сопротивление которых зависит от величины прошедшего через них заряда. Главной задачей ученых было добиться, чтобы в ответ на внешний сигнал, устройство, как и биологический ЦГУА, выдавало ритмичную последовательность импульсов в соответствии с биологическим паттерном ходьбы. Следовательно, устройство необходимо «обучить» правильному поведению.

Канадский физиолог Дональд Хебб сформулировал правило, по которому работают настоящие нейроны: если между возбуждением первого и второго нейрона есть причинно-следственная связь, то их взаимодействие будет становиться все более плотным, а время между откликами – уменьшаться. Предположим, мы учим ребенка слову «яблоко», устанавливая ассоциацию между набором звуков и физическим объектом. Если яблоки красные, у малыша сформируется связь: «красное» — «яблоко». Если в следующий раз мы покажем зеленые яблоки, эта связь ослабится. Таким образом нервная система живого организма подстраивается под меняющиеся условия, то усиливая связь между нейронами (обучение), то ослабляя эти связи (разобучение).

«Одним из важнейших компонентов в нашей схеме является мемристор, так как его сопротивление можно изменять, формируя тем самым последовательность сигналов с определенным паттерном, — поясняет Алина Сулейманова, научный сотрудник компании B-Rain Labs. — В ходе моделирования мы выяснили, что если сопротивление мемристора слишком высокое, то при воздействии входного сигнала мембранный потенциал искусственного «нейрона» изменится незначительно, и «нейрон» не сформирует выходной сигнал.

В этом случае мемристор необходимо «обучить» — уменьшить его сопротивление. Однако, если оно будет слишком низким, то последовательность выходных сигналов будет формироваться хаотично. Следовательно, необходимо увеличивать сопротивление. Таким образом, мы определили диапазон значений сопротивления мемристора, при котором генерируется последовательность сигналов, похожая на биологический паттерн ходьбы».

В качестве проводящего материала исследователи взяли за основу органическое соединение BTBT (бензотиено[3,2-b][1]-бензотиофен) , тонкая пленка которого выступила в роли активного слоя мемристора. «Материал был выбран не случайно, — комментирует Никита Прудников, лаборант-исследователь группы нейроморфных систем лаборатории технологий искусственного интеллекта НИЦ Курчатовский институт.

— Во-первых, BTBT показывает времена изменения сопротивления, сопоставимые с реальными биологическими нейронами. Во-вторых, в основе пленки – малая молекула, что позволяет гибко настраивать свойства устройств за счет химического изменения этих молекул и управления структурой пленки. Наконец, обладая всеми преимуществами органического материала, соединение в то же время показывает хорошую проводимость». На следующим этапе работы ученые планируют физическую реализацию прототипа ЦГУА и ее тестирование с мемристивными приборами.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» – одно из крупнейших научных учреждений России. Основанный в 1943 году для создания советского атомного проекта, он стал родоначальником множества новых технологий и научных направлений. Сегодня «Курчатовский институт» – мультидисциплинарный центр с широкими научными интересами и уникальной технической исследовательской базой.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Позавчера, 11:29
Татьяна

Все клеточные организмы ученые ведут от гипотетического предка — LUCA. Существует масса предположений и расчетов о том, как он был устроен, где и когда возник. В новой работе исследователи из Великобритании попытались ответить на эти вопросы.

Вчера, 16:00
Полина Меньшова

Хотя на предпочтения в литературе влияют образование, круг общения и множество других факторов, частично они могут передаваться по наследству. Ученые из Дании провели исследование и выяснили, какая доля различий в литературных вкусах может зависеть от генетических особенностей.

3 часа назад
Юлия Трепалина

Синдром самозванца, при котором люди испытывают чувство незаслуженности своих успехов, не раз становился предметом исследований. В свежем метаанализе американские психологи рассмотрели свыше сотни научных работ по этой теме и обнаружили четкую тенденцию: женщины набирали больше баллов в тестах на выявление этого состояния.

12 июля
Александр Березин

Falcon 9 Block 5 впервые за три сотни запусков дал частично неудачный полет. Ракета выводила 20 спутников компании SpaceX, с 15 связь уже пропала, еще пять могут быть потеряны в ближайшее время.

Позавчера, 11:29
Татьяна

Все клеточные организмы ученые ведут от гипотетического предка — LUCA. Существует масса предположений и расчетов о том, как он был устроен, где и когда возник. В новой работе исследователи из Великобритании попытались ответить на эти вопросы.

12 июля
Татьяна

Американские астронавты давно жалуются на систему ассенизации в скафандрах, которая представляет собой просто большой подгузник. Хватает его максимум на восемь часов, есть риск развития опрелостей и инфекций. К тому же в костюме мало запасов питьевой воды. Чтобы решить эти проблемы, ученые предложили более эффективный способ утилизации продуктов метаболизма.

25 июня
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно