Vědci vyvinuli metodu pro komunikaci umělých neuronových sítí s biologickými

Skupina vědců vyvinula způsob, jak umožnit umělým neuronovým sítím komunikovat s biologickými neuronovými sítěmi. Tato nová metoda je velkým krokem vpřed pro neuroprotektivní zařízení, která nahrazují poškozené neurony umělými neuronovými obvody.

Nová metoda se spoléhá na převod umělých elektrických signálů na vizuální vzor. Ten se poté používá prostřednictvím optogenetické stimulace, aby se synchronizovaly biologické neurony.

Článek s názvem „Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation“ byl publikován v Scientific Reports.

Technologie neuroprotektiv

Mezinárodní tým vedený Ikerbasque Researcher Paolem Bonifazim z Biocruces Health Research Institute v Bilbau, Španělsko, se pokusil vytvořit neuroprotektivní technologii. Byl doprovázen Timothéem Levim z Institute of Industrial Science, The University of Tokyo.

Jednou z největších výzev spojených s touto technologií je, že neurony v mozku jsou při komunikaci extrémně přesné. Když jde o elektrické neuronové sítě, elektrický výstup není schopen cílit na konkrétní neurony.

Aby se tomu vyhnuli, tým výzkumníků převěl elektrické signály na světlo.

Podle Leviho „pokroky v optogenetické technologii nám umožnily přesně cílit na neurony v malé oblasti naší biologické neuronové sítě.“

Optogenetika

Optogenetika je technologie, která se spoléhá na světlo-citlivé proteiny, které se nacházejí v řasách a jiných zvířatech. Když tyto proteiny vstoupí do neuronů, světlo lze zaměřit na neuron, aby ho aktivovalo nebo deaktivovalo, v závislosti na typu proteinu.

Výzkumníci použili specifické proteiny, které byly aktivovány modrým světlem v projektu. První krok spočíval v převodu elektrického výstupu skokové neuronové sítě na šachovnicový vzor složený z modrých a černých čtverců. Tento vzor byl poté promítán světlem na 0,8 x 0,8 mm čtverec biologické neuronové sítě, která rostla v misce. Když k tomu došlo, pouze neurony zasažené světlem z modrých čtverců byly aktivovány.

https://www.youtube.com/watch?time_continue=14&v=W1qVGz4fpiU&feature=emb_title

Synchronní aktivita je produkována v kultivovaných neuronech, kdykoli dochází ke spontánní aktivitě. To vede k typu rytmu, který je založen na způsobu, jakým jsou neurony propojeny, různých typech neuronů a jak se přizpůsobují a mění.

„Klíč k našemu úspěchu,“ říká Levi, „spočíval v pochopení, že rytmy umělých neuronů musely odpovídat rytmům skutečných neuronů. Jakmile jsme byli schopni toho dosáhnout, biologická síť byla schopna reagovat na „melodie“ odeslané umělou sítí. Předběžné výsledky získané během evropského projektu Brainbow nám pomohly navrhnout tyto biomimetické umělé neurony.“

Výzkumníci nakonec našli nejlepší shodu po tom, co umělá neuronová síť byla naladěna na různé rytmy a byli schopni identifikovat změny v globálních rytmách biologické sítě.

„Zahrnutí optogenetiky do systému je pokrokem směrem k praktičnosti,“ říká Levi. „To umožní budoucím biomimetickým zařízením komunikovat se specifickými typy neuronů nebo v rámci specifických neuronových obvodů.“

Budoucí protektivní zařízení, která budou vyvinuta se systémem, mohou nahradit poškozené mozkové obvody. Mohou také obnovit komunikaci mezi různými oblastmi mozku. To vše může vést k velmi působivé generaci neuroprotektiv.