Forskere udvikler metode til kunstige neurale netværk til at kommunikere med biologiske

En gruppe forskere har udviklet en metode til, at kunstige neurale netværk kan kommunikere med biologiske neurale netværk. Den nye udvikling er et stort skridt fremad for neuroprostetiske enheder, som erstatter beskadigede neuroner med kunstige neurale kredsløb.

Den nye metode afhænger af omvandlingen af kunstige elektriske spiking-signaler til et visuelt mønster. Dette mønster bruges derefter, via optogenetisk stimulation, til at synchronisere de biologiske neuroner.

Artiklen med titlen ”Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation” blev offentliggjort i Scientific Reports.

Neuroprostetisk teknologi

Et internationalt hold ledet af Ikerbasque-forskeren Paolo Bonifazi fra Biocruces Health Research Institute i Bilbao, Spanien, satte sig for at udvikle neuroprostetisk teknologi. Han blev ledsaget af Timothée Levi fra Institute of Industrial Science, The University of Tokyo.

En af de største udfordringer i forbindelse med denne teknologi er, at neuroner i hjernen er ekstremt præcise, når de kommunikerer. Når det kommer til elektriske neurale netværk, er det elektriske output ikke i stand til at målrette specifikke neuroner.

For at komme rundt om dette, konverterede forskerholdet de elektriske signaler til lys.

Ifølge Levi, ”tillod fremskridt i optogenetisk teknologi os at målrette neuroner i et meget lille område af vores biologiske neurale netværk med stor præcision”.

Optogenetik

Optogenetik er en teknologi, som afhænger af lysfølsomme proteiner, der findes i alger og andre dyr. Når disse proteiner indsættes i neuroner, kan lys rettes mod en neuron for at gøre den aktiv eller inaktiv, afhængigt af proteinets type.

Forskerne brugte specifikke proteiner, der blev aktiveret af blåt lys i projektet. Det første skridt var at konvertere det elektriske output fra det spikende neurale netværk til et checkeret mønster bestående af blå og sorte kvadrater. Dette mønster blev derefter projiceret med lys ned på en 0,8 x 0,8 mm kvadratisk del af det biologiske neurale netværk, som voksede i en skål. Når dette skete, blev kun neuronerne ramt af lyset fra de blå kvadrater aktiveret.

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

Synkron aktivitet opstår i dyrkede neuroner, når der er spontan aktivitet. Dette resulterer i en type rytme, der er baseret på, hvordan neuronerne er forbundet sammen, de forskellige typer neuroner og hvordan de tilpasser sig og ændrer sig.

“Nøglen til vores succes,” siger Levi, “var at forstå, at rytmerne fra de kunstige neuroner skulle matche dem fra de rigtige neuroner. Når vi først kunne gøre dette, kunne det biologiske netværk reagere på “melodierne”, som blev sendt af det kunstige netværk. Foreløbige resultater, der blev opnået under det europæiske Brainbow-projekt, hjalp os med at designe disse biomimetiske kunstige neuroner”.

Forskerne fandt til sidst den bedste match, efter at det kunstige neurale netværk var afstemt til forskellige rytmer, og de kunne identificere ændringer i de globale rytmer i det biologiske netværk.

“At inkorporere optogenetik i systemet er et skridt mod praktikalitet,” siger Levi. “Det vil tillade fremtidige biomimetiske enheder at kommunikere med specifikke typer neuroner eller inden for specifikke neurale kredsløb”.

De fremtidige proteseenheder, der udvikles med systemet, kunne erstatte beskadigede hjernecirkler. De kunne også genskabe kommunikationen mellem forskellige regioner af hjernen. Alt dette kunne føre til en ekstremt imponerende generation af neuroproteser.