Membranele care înconjoară celulele nu sunt simple bariere pasive, ci participă activ la formarea memoriei și a învățării — aceasta este concluzia unei colaborări de mai multe decenii dintre doi oameni de știință de la Oak Ridge National Laboratory (ORNL), laborator al Departamentului american al Energiei. Descoperirea sugerează că bistratul lipidic, structura de bază a oricărei membrane biologice, reglează direct modul în care ionii traversează proteinele membranare, procese aflate în centrul semnalizării din creier. Rezultatele deschid perspective pentru materiale destinate calculului neuromorfic — tehnologii de calcul cu consum redus, inspirate de funcționarea creierului — și pentru cercetarea afecțiunilor neurologice.
- Cercetătorii de la ORNL au observat comportamente electrice de tip neural în membrane lipidice simple.
- Aceleași membrane pot funcționa simultan ca rezistor de memorie și condensator de memorie.
- Experimente viitoare vor folosi împrăștierea de neutroni și litiu pentru a urmări rearanjarea moleculelor.
Proiectul îi are în centru pe John Katsaras, specialist în împrăștierea de neutroni la Spallation Neutron Source al ORNL, și pe Pat Collier, inginer de proces în camera curată la Center for Nanophase Materials Sciences, ambele facilități aflate sub Office of Science al Departamentului Energiei. „Știința este o conversație”, a spus Katsaras. „Cu mulți ani în urmă, Pat și cu mine am vrut să vedem ce s-ar întâmpla dacă ne-am combina interesele științifice.” Colaborarea a unit expertiza lui Collier în sisteme de materie moale pentru calcul neuromorfic cu cei aproximativ 40 de ani de studiu ai lui Katsaras asupra structurii și dinamicii membranelor lipidice.
De la picături de apă în ulei la membranele neuronilor
Materia moale cuprinde materiale care își schimbă ușor forma — membrane, geluri și polimeri. Deși membranele biologice diferă în complexitate, toate au la bază un bistrat lipidic: un dublu strat de molecule, fiecare cu un cap hidrofil, care atrage apa, și o coadă hidrofobă, care o respinge.
Pentru a studia proprietățile membranelor sub stimulare electrică, cei doi au folosit picături de apă suspendate în ulei, o configurație numită bistrat la interfața picăturilor. Datele electrice neașteptate obținute în aceste experimente timpurii i-au determinat să își mute atenția către membranele care înconjoară neuronii, acolo unde se desfășoară numeroase procese de memorie și învățare.
„Măsurătorile noastre timpurii au relevat schimbări stabile în comportamentul electric al membranei — tipare asociate de obicei cu activitatea neurală”, a explicat Collier. Împreună cu un grup larg de colaboratori, echipa a dezvoltat noi abordări experimentale și a observat rezultate compatibile cu memoria și învățarea de tip biologic în aceste bistraturi.
O singură membrană, două comportamente electrice
Se știe de mult că activitatea ionilor conduce semnalizarea din creier. Katsaras și Collier au arătat că bistraturile lipidice au un rol activ în reglarea modului în care acești ioni curg prin proteinele membranare.
„Am arătat memristanță și memcapacitanță petrecându-se în cadrul aceleiași membrane”, a spus Collier — proprietăți electrice ale unor dispozitive a căror rezistență depinde de istoricul tensiunii aplicate.
Într-o regiune a membranei, bistratul lipidic se poate rearanja pentru a forma un rezistor de memorie, iar în alta se poate comporta ca un condensator de memorie. Potrivit lui Collier, aceste proprietăți ar putea accelera dezvoltarea unor noi clase de materiale moi capabile de detecție și calcul neural mai versatile.
Neutronii și litiul, următorul pas
În experimentele următoare, echipa intenționează să folosească împrăștierea de neutroni și litiu pentru a arăta cum moleculele din aceste membrane se rearanjează pentru a crește sau reduce fluxul de ioni de potasiu, asemenea unui robinet care controlează curgerea apei. Împrăștierea de neutroni permite măsurători directe, nedistructive, la scară atomică, ale modului în care bistraturile lipidice modifică mediul din jurul proteinelor membranare.
Litiul are aici o miză aparte: este folosit pe scară largă în tratamentul tulburării bipolare și a fost studiat pentru posibile efecte neuroprotectoare în boli neurodegenerative, inclusiv Alzheimer. Dacă interacțiunile dintre moleculele lipidice și litiu vor fi demonstrate, ele ar putea aduce perspective noi asupra folosirii litiului în sinapse artificiale — componente electronice concepute să imite conexiunile dintre celulele creierului.
Cinci ani de dovezi acumulate treptat
Descoperirea a fost posibilă datorită combinației de expertiză în materie moale, capacităților de vârf în domeniul neutronilor și facilităților utilizator co-localizate la ORNL. Echipa a lucrat, printre altele, cu specialiști de la Oak Ridge Leadership Computing Facility, gazda supercomputerului Frontier.
În ultimii cinci ani, Collier și Katsaras au adunat un corp tot mai mare de dovezi. În 2022 au arătat că bistraturile lipidice pot reproduce trăsături-cheie ale memoriei de lungă durată. Mai recent, au demonstrat că semnale electrice și mecanice pot restructura bistraturile astfel încât să susțină stări de memorie distincte și stabile, identificând mecanismele care permit acestor stări să persiste. În colaborare cu Louisiana State University, echipa și-a extins rezultatele la rotaxani, mici mașini moleculare care își schimbă forma sub acțiunea luminii și acționează ca întrerupătoare moleculare.
„Această cercetare arată cum expertiza de vârf a ORNL în materie moale, caracterizare avansată și facilități utilizator permite descoperiri la intersecția dintre biologie, știința materialelor și calcul”, a declarat Jon Taylor, director asociat de laborator pentru Științe Neutronice la ORNL.
Credeți că viitoarele computere inspirate de creier ar putea fi construite pornind de la membrane biologice? Spuneți-ne ce părere aveți în comentarii.
