De bygger artificiella nervceller

För första gången har forskare visat att en artificiell organisk neuron, en nervcell, kan integreras med en artificiell organisk synaps i en levande växt. Såväl neuronen som synapsen byggs av tryckta organiska elektrokemiska transistorer.

En liten elektrisk puls från den artificiella nervcellen kan få bladen på den köttätande växten Venus flugfälla att slutas, trots att ingen fluga fastnat i dess käftar. Organiska halvledare har förmågan att leda både elektroner och joner, och kan därför efterlikna växtens eget system. I det här fallet är det en liten elektrisk puls på mindre än 0,6 V som inducerar den jonpuls, aktionspotential, som får växten att sluta sina blad.

–Vi valde Venus flugfälla för att tydligt kunna visa hur vi kan styra det biologiska systemet med det artificiella organiska systemet och få dem att kommunicera på samma språk, säger Simone Fabiano, universitetslektor och forskningsledare inom organisk nanoelektronik, Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet, Campus Norrköping.

Forskargruppen vid Linköpings universitet var år 2018 först med att få fram komplementära och tryckbara organiska elektrokemiska kretsar, det vill säga med polymerer av både n- och p-typ som leder negativa respektive positiva laddningar. Därmed blev det också möjligt att bygga tryckbara komplementära organiska elektrokemiska transistorer. Gruppen har sedan optimerat de organiska transistorerna så att de kan tryckas i tryckpress på en tunn plastfolie. Tusentals transistorer kan nu tryckas på ett liten bit substrat. Tillsammans med forskare i Lund och Göteborg har gruppen med hjälp av de tryckta transistorerna lyckats efterlikna det biologiska systemets neuroner och synapser. Resultatet är publicerat i ansedda Nature Communications.

–För första gången använder vi här transistorns förmåga att koppla om baserat på en viss koncentration av joner för att modulera spikningsfrekvensen, säger Padinhare Cholakkal Harikesh, postdoktor vid Laboratoriet för organiska elektronik.

Spikningsfrekvensen ger den signal som får det biologiska systemet att reagera.

–Vi har även visat att kopplingen mellan neuronen och synapsen har ett lärande beteende, så kallad Hebbiansk inlärning. Information lagras i synapsen som gör signaleringen allt effektivare, säger Simone Fabiano.

Förhoppningen är att artificiella nervceller i framtiden ska kunna användas för känsliga mänskliga proteser, implanterbara system för att mildra neurologiska sjukdomar liksom inom mjuk intelligent robotik.

–Vi har tagit fram jonbaserade neuroner, liknande våra egna, som kan kopplas till biologiska system. Organiska halvledare har många fördelar, de är biokompatibla, biologiskt nedbrytbara, mjuka och formbara. Det krävs bara låga spänningar som är helt ofarliga för såväl växter som ryggradsdjur, intygar Chi-Yuan Yang, även han postdoktor vid Laboratoriet för organisk elektronik.

Forskningen har finansierats via bland andra Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Vetenskapsrådet, Stiftelsen för strategisk forskning och regeringens strategiska satsning på avancerade funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet.

Artikeln: Organic Electrochemical Neurons and Synapses with Ion Mediated Spiking, Padinhare Cholakkal Harikesh, Chi-Yuan Yang, Deyu Tu, Jennifer Y. Gerasimov, Abdul Manan Dar, Adam Armada-Moreira, Matteo Massetti, Renee Kroon, David Bliman, Roger Olsson, Eleni Stavrinidou, Magnus Berggren, Simone Fabiano, Nature Communications 2022, doi 10.1038/s41467-022-28483-6