Investigadores muestran cómo se puede dirigir el sistema biológico con neuronas orgánicas artificiales

Por primera vez, los investigadores demuestran una neurona orgánica artificial, una célula nerviosa, que puede integrarse con una planta viva y una sinapsis orgánica artificial. Tanto la neurona como la sinapsis están hechas de transistores electroquímicos orgánicos impresos.

Al conectarse a la Venus Carnivore Fly Trap, los impulsos eléctricos de la célula nerviosa artificial pueden hacer que las hojas de la planta se cierren, aunque ninguna mosca haya entrado en la trampa. Los semiconductores orgánicos pueden conducir tanto electrones como iones, lo que ayuda a imitar el mecanismo iónico de generación de impulsos (potencial de acción) en las plantas. En este caso, el pequeño impulso eléctrico de menos de 0,6 V puede inducir potenciales de acción en la planta, lo que a su vez provoca el cierre de las hojas.

“Elegimos Venus atrapamoscas para mostrar claramente cómo podemos controlar el sistema biológico con el sistema de órganos artificiales y hacer que se comuniquen en el mismo idioma”, dice Simone Fabiano, profesora asociada e investigadora principal en nanoelectrónica orgánica en el Laboratorio de Electrónica Orgánica. , Universidad de Linköping, Campus de Norrköping.

En 2018, el grupo de investigación de la Universidad de Linköping se convirtió en el primero en desarrollar circuitos electroquímicos orgánicos complementarios e imprimibles, es decir, con polímeros de tipo n y tipo p, que conducen cargas negativas y positivas. Esto hizo posible construir transistores electroquímicos orgánicos impresos complementarios. Posteriormente, el grupo optimizó los transistores orgánicos para que pudieran fabricarse en prensas de impresión sobre delgadas láminas de plástico. Se pueden imprimir miles de transistores en un solo sustrato de plástico. En colaboración con investigadores de Lund y Gotemburgo, el grupo usó los transistores impresos para emular las neuronas y las sinapsis del sistema biológico. Los resultados fueron publicados en la prestigiosa revista Nature Communications.

Por primera vez, estamos utilizando la capacidad del transistor para cambiar en función de la concentración de iones para modular la frecuencia máxima”.

Padinhare Cholakkal Harikesh, investigadora postdoctoral en el Laboratorio de Electrónica Orgánica

La frecuencia máxima da la señal que hace reaccionar al sistema biológico.

“También hemos demostrado que la conexión entre la neurona y la sinapsis tiene un comportamiento de aprendizaje, llamado aprendizaje hebbiano. La información se almacena en la sinapsis, lo que hace que la señalización sea cada vez más eficiente”, explica Simone Fabiano.

La esperanza es que las células nerviosas artificiales puedan usarse para prótesis humanas sensibles, sistemas implantables para aliviar enfermedades neurológicas y robótica inteligente suave.

“Hemos desarrollado neuronas basadas en iones, similares a las nuestras, que se pueden conectar a sistemas biológicos. Los semiconductores orgánicos tienen muchas ventajas: son biocompatibles, biodegradables, suaves y moldeables. Solo requieren bajo voltaje para funcionar, lo cual es completamente inofensivo para plantas y vertebrados”, explica Chi-Yuan Yang, investigadora postdoctoral en el Laboratorio de Electrónica Orgánica.

La investigación fue apoyada financieramente por la Fundación Knut y Alice Wallenberg, el Consejo Sueco de Investigación, la Fundación Sueca para la Investigación Estratégica y el Área de Investigación Estratégica de Ciencia de Materiales del Gobierno Sueco sobre Materiales Funcionales en la Universidad de Linköping, entre otros.