Pour la première fois, des chercheurs démontrent un neurone organique artificiel, une cellule nerveuse, qui peut être intégré à une plante vivante et à une synapse organique artificielle. Le neurone et la synapse sont fabriqués à partir de transistors électrochimiques organiques imprimés.
Lors de la connexion au piège à mouches carnivore de Vénus, les impulsions électriques de la cellule nerveuse artificielle peuvent provoquer la fermeture des feuilles de la plante, bien qu’aucune mouche ne soit entrée dans le piège. Les semi-conducteurs organiques peuvent conduire à la fois les électrons et les ions, aidant ainsi à imiter le mécanisme ionique de génération d’impulsions (potentiel d’action) dans les plantes. Dans ce cas, la petite impulsion électrique de moins de 0,6 V peut induire des potentiels d’action dans la plante, ce qui à son tour provoque la fermeture des feuilles.
« Nous avons choisi l’attrape-mouche de Vénus afin de montrer clairement comment nous pouvons piloter le système biologique avec le système organique artificiel et les faire communiquer dans le même langage », explique Simone Fabiano, professeure agrégée et chercheuse principale en nanoélectronique organique au Laboratoire de Électronique organique, Université de Linköping, Campus Norrköping.
En 2018, le groupe de recherche de l’Université de Linköping est devenu le premier à développer des circuits électrochimiques organiques complémentaires et imprimables, c’est-à-dire avec des polymères de type n et de type p, qui conduisent des charges négatives et positives. Cela a permis de construire des transistors électrochimiques organiques complémentaires imprimés. Le groupe a par la suite optimisé les transistors organiques, afin qu’ils puissent être fabriqués dans des presses à imprimer sur des feuilles de plastique minces. Des milliers de transistors peuvent être imprimés sur un seul substrat en plastique. En collaboration avec des chercheurs de Lund et de Göteborg, le groupe a utilisé les transistors imprimés pour émuler les neurones et les synapses du système biologique. Les résultats ont été publiés dans la prestigieuse revue Nature Communications.
Pour la première fois, nous utilisons la capacité du transistor à commuter en fonction de la concentration en ions pour moduler la fréquence de pointe. »
Padinhare Cholakkal Harikesh, chercheur post-doctorant au Laboratoire d’électronique organique
La fréquence de pointe donne le signal qui fait réagir le système biologique.
« Nous avons également montré que la connexion entre le neurone et la synapse a un comportement d’apprentissage, appelé apprentissage hebbien. L’information est stockée dans la synapse, ce qui rend la signalisation de plus en plus efficace », explique Simone Fabiano.
L’espoir est que les cellules nerveuses artificielles puissent être utilisées pour les prothèses humaines sensibles, les systèmes implantables pour soulager les maladies neurologiques et la robotique intelligente douce.
« Nous avons développé des neurones à base d’ions, similaires aux nôtres, qui peuvent être connectés à des systèmes biologiques. Les semi-conducteurs organiques présentent de nombreux avantages – ils sont biocompatibles, biodégradables, mous et formables. Ils ne nécessitent qu’une faible tension pour fonctionner, ce qui est complètement inoffensif pour les plantes et les vertébrés » explique Chi-Yuan Yang, chercheur post-doctoral au Laboratoire d’électronique organique.
La recherche a été soutenue financièrement par la fondation Knut et Alice Wallenberg, le Conseil suédois de la recherche, la Fondation suédoise pour la recherche stratégique et le domaine de recherche stratégique du gouvernement suédois en science des matériaux sur les matériaux fonctionnels à l’Université de Linköping, entre autres.
