Создана схема устройства для людей с травмой спинного мозга
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.
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.
Telegram 
Дзен 
VK Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
Физтехи предложили аналитический способ описания передачи энергии от ультракороткого лазерного импульса к квантовому осциллятору, находящемуся в тепловом равновесии. Эта модель показывает, как сверхкороткие вспышки света возбуждают микроскопические системы — молекулы, кристаллы, плазмоны, фотоны и электронные центры в веществе. Это важно для разработки методов сверхбыстрого управления веществом, генерации терагерцового излучения и подбора оптимальных параметров лазерных импульсов для возбуждения заданных состояний материала.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно