22 februari 2022

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.

Chi-Yuan Yang och Padinhare Cholakkal Harikesh fotograferade genom en glasruta på vilken de skrivit formler
Chi-Yuan Yang och Padinhare Cholakkal Harikesh, postdoktorer vid Laboratoriet för organisk elektronik, visar i en schematisk bild hur den mänskliga nervcellen och dess funktioner har byggts med hjälp av organiska elektrokemiska transistorer. Thor Balkhed

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 Venus flugfällaVenus flugfälla Foto Noah Elhardthar 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.

Talar samma språk

– 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 Forskare håller fram en folie med tusentals tryckta transistorer.Forskarna har visat att tusentals organiska kemiska transistorer kan tryckas på en liten yta på en tunn plastfolie. Foto Thor Balkhedelektrokemiska 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.

Jonkoncentrationen får systemet att reagera

– 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.

Biokompatibla och mjuka

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

De fyra forskare som är huvudförfattare till artikeln gående i en korridor.Huvudförfattarna till artikeln i Nature Communications, från vänster forskningsledaren Simone Fabiano, postdoktorerna Chi-Yuan Yang och Padinhare Cholakkal Harikesh samt universitetslektor Deyu Tu, samtliga verksamma vid Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet. Foto Thor Balkhed

Fler nyheter

Organisk nanoelektronik

Person i labbrock och handskar häller en blå vätska på en glasyta.

Miljövänligare metod för att skapa organiska halvledare

Forskare vid LiU har utvecklat ett nytt miljövänligare sätt att skapa ledande bläck för användning i organisk elektronik som solceller och konstgjorda nervceller. Fynden banar väg för framtidens hållbara teknologi.

Han ska utveckla mjuk elektronik som liknar hjärnan

Simone Fabiano, biträdande professor vid LOE, har beviljats 23 miljoner kronor från Europeiska forskningsrådet för att utveckla en ny typ av mjuk elektronik som hämtar inspiration från hjärnan.

Man i heltäckande labbkläder håller upp en transparent skiva framför ansiktet.

Konstgjorda nervceller nästan som biologiska

Forskare vid LiU har skapat en artificiell organisk neuron som nära efterliknar biologiska nervcellers egenskaper. Denna artificiella neuron kan stimulera naturliga nerver, vilket gör den till en lovande teknologi för olika medicinska behandlingar.

Forskning

Senaste nytt från LiU

Man som står i en matbutik

Edvin pausade studierna och startade obemannad matbutikskedja

Edvin Johansson pausade studierna på civilingenjörsprogrammet i Industriell ekonomi för att starta AutoMat, en obemannad matbutikskedja. Nu är han tillbaka på campus med sin hittills största butik – belägen mitt i det myllrande studentlivet.

Person (Jie Zhou) pekar på en datorskärm.

Ny värld av 2D-material öppnas

Material som är extremt tunna får ovanliga egenskaper som gör dem lämpliga för bland annat energilagring, katalys och vattenrening. Nu har forskare vid LiU utvecklat en metod där hundratals nya 2D-material kan skapas.

Lakrits i skål och lakritsrot bredvid.

Liten mängd lakrits höjer blodtrycket

Det är känt att större mängder lakrits orsakar högt blodtryck. Nu visar en studie av forskare vid LiU att även små mängder lakrits höjer blodtrycket. De individer som reagerar kraftfullast visar också tecken på belastning av hjärtat.