Нанозонды и интерфейс человек-компьютер

Учёные справились с монументальной задачей изготовления масштабируемых массивов нанозондов, достаточно малых, чтобы регистрировать внутреннюю работу человеческих клеток сердца и первичных нейронов. На их основе возможно создать интерфейс человек-компьютер.

Способность считывать электрическую активность с клеток является основой многих биомедицинских процедур, таких как картирование мозговой активности и нейронное протезирование. Разработка новых инструментов для внутриклеточной электрофизиологии (электрического тока, протекающего внутри клеток), раздвигает границы того, что физически возможно (в пространственно-временном разрешении), в то же время снижая инвазивность, и может обеспечить более глубокое понимание электрогенных клеток и их сетей в тканях, а также новые направления для создания интерфейса человек-компьютер.

Внутриклеточная запись

В статье ученые подробно рассказывают, как они создали массив ультрамалых U-образных нанопроволочных полевых транзисторных зондов для внутриклеточной записи. Эта невероятно маленькая структура была использована для высококачественной записи внутренней активности первичных нейронов и других электрогенных клеток. Также устройство способно к многоканальной записи.

Доктор Юньлун Чжао сказал: «Если наши медицинские работники будут способны лучше понимать наше физическое состояние и помогать нам жить дольше, важно, чтобы мы продолжали расширять границы современной науки, чтобы дать им лучшие инструменты для выполнения своей работы. Чтобы это было возможно, объединение людей и машин неизбежно. Наши сверхмалые, гибкие зонды из нанопроволоки могут быть очень мощным инструментом, поскольку они могут измерять внутриклеточные сигналы с амплитудами, сравнимыми с измеряемыми методами с помощью зажима; с преимуществом масштабируемости устройства это вызывает меньший дискомфорт и отсутствие фатальных повреждений в клетке (дилатация цитозоля). Благодаря этой работе мы нашли четкие доказательства того, как размер и кривизна влияют на интернализацию устройства и внутриклеточную запись сигнала”.

Киборги – вопрос недалёкого будущего

Профессор Чарльз Либер с Кафедры химии и химической биологии Гарвардского университета сказал: «Эта работа представляет собой важный шаг к решению общей проблемы интеграции «синтезированных» наноразмерных строительных блоков в чиповые и пластинчатые массивы, что позволяет нам решать давние проблемы масштабируемой внутриклеточной записи. Красота науки для многих, в том числе и для нас, состоит в том, что возникают такие проблемы, для их решения выдвигаются гипотезы и выстраивается будущая работа. В более долгосрочной перспективе мы видим, что эти исследования зондов расширяют наши возможности, которые в конечном итоге создадут современный интерфейс человек-компьютер с высоким разрешением и, возможно, в конечном итоге воплотят киборгов в реальность”.

Профессор Рави Силва из Университете Суррея, сказал: «Эта невероятно захватывающая и амбициозная работа иллюстрирует ценность академического сотрудничества. Наряду с возможностью обновления инструментов, которые мы используем для мониторинга клеток, это исследование заложило основу для интерфейса человек-компьютер, которая могут улучшить жизнь по всему миру”.

Исследователи в настоящее время работают над новыми устройствами накопления энергии, электрохимическим зондированием, биоэлектронными устройствами, датчиками и трехмерными мягкими электронными системами.

Yunlong Zhao, Siheng Sean You, Anqi Zhang, Jae-Hyun Lee, Jinlin Huang, Charles M. Lieber.

Scalable ultrasmall three-dimensional nanowire transistor probes for intracellular recording.

Nature Nanotechnology, 2019; DOI: 10.1038/s41565-019-0478-y