Нейрон "сделай сам": новинка поможет разобраться в азах нейробиологии всем желающим

Устройство собрано из стандартных недорогих компонентов, поэтому его легко воспроизвести.

Фото University of Sussex.

Работа с "искусственным нейроном" помогает на опыте освоить азы нейронауки.

Фото University of Sussex.

Систему можно подключить к компьютеру и увидеть, как меняется "потенциал на мембране клетки".

Фото University of Sussex.

Нейробиологи из Университета Суссекса в Великобритании создали простую и дешёвую электронную модель нервной клетки, поэкспериментировать с которой может любой желающий. Разработка не запатентована и открыта для копирования и улучшений.

Авторы надеются, что их детище поможет обучению студентов и популяризации нейронауки в целом.

Новинка описана в научной статье, опубликованной в журнале PLOS One группой из Университета Суссекса во главе с Томасом Бэйденом (Thomas Baden).

Как известно, нейроны – это основные "кирпичики", из которых собран мозг и вообще вся нервная система. Невозможно изучить нейробиологию, не разобравшись с базовыми принципами работы нервной клетки.

Между тем, чтобы студенты усвоили материал, важно, что называется, потрогать его руками. Для этой цели служат лабораторные работы. Однако поработать с клетками нервных тканей не так просто, как сосчитать качания маятника или смешать в пробирке нужные вещества.

Эксперименты с отдельными нейронами проводятся, но это не уровень студенческого занятия. Такие опыты требуют высокой квалификации, дорогостоящего оборудования и большого труда.

В виде компьютерной игры-симулятора можно, разумеется, реализовать не только эксперименты над нейронами, но и управление звездолётом. Но, при всей увлечённости юного поколения Интернетом и гаджетами, студенты эффективнее вовлекаются в процесс, когда работают руками в самом буквальном смысле слова.

Именно для этих целей и был разработан Spikeling.

"Spikeling – полезная часть инструментария для тех, кто преподаёт нейробиологию, потому что он позволяет нам более интерактивно демонстрировать, как работают нейроны", – говорит Бэйден.

Работа с "искусственным нейроном" помогает на опыте освоить азы нейронауки.

Устройство до некоторой степени имитирует поведение настоящего нейрона.

Как известно, в спокойном состоянии мембрана нервной клетки поляризована, то есть существует электрическое напряжение между её внутренней и внешней поверхностью. Внутри нейрона накоплен отрицательный электрический заряд, а снаружи – положительный.

При возбуждении нейрона в мембране открываются специальные каналы, по которым в клетку устремляются положительные ионы натрия, и часть мембраны деполяризуется. Это вызывает своего рода цепную реакцию: по стенке нейрона бежит волна деполяризации. Это и есть нервный импульс возбуждения.

Существует и противоположное явление: нервный импульс торможения, когда разность потенциалов между двумя сторонами мембраны, наоборот, увеличивается. Возбуждение и торможение – это два фундаментальных процесса, из которых складывается вся многообразная активность нервной системы.

В основу работы нового устройства положена одна из известных моделей работы ионных каналов в мембране клетки (модель Ижикевича). Режимы возбуждения и торможения имитируются подбором силы тока и уровня шума (то и другое можно регулировать вручную, для этого есть специальные ручки-лимбы).

Кроме того, устройство имеет фотодиод, вырабатывающий электрический ток под действием падающего на него света. Таким образом, Spikeling может моделировать рецепторный нейрон, например, входящий в состав сетчатки глаза.

Также устройство оснащено светодиодом (элементом, излучающим свет) и динамиком. Это позволяет ему оповещать человека о своей деятельности вспышками света и звуковыми сигналами.

"Искусственная клетка" имеет входы и выходы для подключения к другим таким же системам, так что из них можно собрать простейшую нейронную сеть.

Наконец, на один из выходов устройства подаётся информация об "электрическом потенциале на мембране". Она имитирует поведение этой физической величины у реального нейрона в тех режимах, которые моделирует Spikeling. Эти данные можно вывести на экран компьютера в виде графика.

Стоимость прибора составляет всего 25 фунтов стерлингов, то есть около 2200 рублей на 12 ноября 2018 года.

"Поскольку все детали [прибора] дешевы, а файлы [с описанием] конструкции являются бесплатными и открытыми, мы надеемся, что <…> Spikeling может стать отправной точкой для других [пользователей, которые смогут], изменить или усовершенствовать его согласно своим запросам, и опубликовать [информацию] об этом улучшенном дизайне", – говорит Бэйден.

Систему можно подключить к компьютеру и увидеть, как меняется "потенциал на мембране клетки".

Создатели уже использовали своё детище в процессе обучения студентов-нейробиологов в Университете Суссекса, а также на летней школе в Нигерии в 2017 году.

Отметим, что Бэйден является одним из модераторов сообщества PLOS Open Hardware. Туда стекаются описания сотен разработок, создатели которых не собираются защищать их как интеллектуальную собственность, а напротив, поощряют копирование и улучшение своих схем.

"Давая открытый доступ к научному и учебному оборудованию, исследователи и педагоги могут взять будущее в свои руки. Мы надеемся, что со временем этот вид работы будет способствовать установлению равных возможностей по всему миру, так что идеи – а не финансирование – могут быть основным драйвером успеха и новых идей", – формулирует Бэйден кредо сообщества.

Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали об устройстве для левитации, которое можно собрать у себя дома, а также о наборах для самостоятельного редактирования генов (и их практическом применении).