Forscher entwickeln Methode, um künstliche neuronale Netzwerke mit biologischen zu verbinden

Eine Gruppe von Forschern hat eine Möglichkeit entwickelt, künstliche neuronale Netzwerke mit biologischen neuronalen Netzwerken zu verbinden. Die neue Entwicklung ist ein großer Schritt für neuroprothetische Geräte, die beschädigte Neuronen durch künstliche neuronale Schaltkreise ersetzen.

Die neue Methode basiert auf der Umwandlung künstlicher elektrischer Spike-Signale in ein visuelles Muster. Dieses Muster wird dann mithilfe optogenetischer Stimulation verwendet, um die biologischen Neuronen zu synchronisieren.

Der Artikel mit dem Titel „Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation“ wurde in Scientific Reports veröffentlicht.

Neuroprothetische Technologie

Ein internationales Team unter der Leitung von Ikerbasque-Forscher Paolo Bonifazi vom Biocruces Health Research Institute in Bilbao, Spanien, hat sich zum Ziel gesetzt, neuroprothetische Technologie zu entwickeln. Er wurde von Timothée Levi vom Institute of Industrial Science, The University of Tokyo, unterstützt.

Eine der größten Herausforderungen bei dieser Technologie ist, dass Neuronen im Gehirn extrem präzise kommunizieren. Wenn es um elektrische neuronale Netzwerke geht, ist der elektrische Ausgang nicht in der Lage, bestimmte Neuronen zu zielen.

Um dies zu umgehen, konvertierte das Team von Forschern die elektrischen Signale in Licht.

Laut Levi ermöglichten die Fortschritte in der optogenetischen Technologie es uns, bestimmte Neuronen in einem sehr kleinen Bereich unseres biologischen neuronalen Netzwerks genau zu zielen.

Optogenetik

Optogenetik ist eine Technologie, die auf lichtempfindlichen Proteinen basiert, die in Algen und anderen Tieren gefunden werden. Wenn diese Proteine in Neuronen eingefügt werden, kann Licht auf ein Neuron gerichtet werden, um es zu aktivieren oder zu deaktivieren, je nach Proteintyp.

Die Forscher verwendeten bestimmte Proteine, die durch blaues Licht aktiviert wurden, in dem Projekt. Der erste Schritt bestand darin, den elektrischen Ausgang des Spike-Neuronal-Netzwerks in ein Schachbrettmuster aus blauen und schwarzen Quadraten umzuwandeln. Dieses Muster wurde dann durch Licht auf eine 0,8 x 0,8 mm große Fläche des biologischen neuronalen Netzwerks projiziert, das in einer Schale wuchs. Wenn dies geschah, wurden nur die Neuronen aktiviert, die von dem Licht getroffen wurden, das aus den blauen Quadraten kam.

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Synchrones Verhalten wird in kultivierten Neuronen erzeugt, wenn es spontane Aktivität gibt. Dies resultiert in einer Art Rhythmus, der auf die Art und Weise basiert, wie die Neuronen miteinander verbunden sind, die verschiedenen Arten von Neuronen und wie sie sich anpassen und ändern.

“Der Schlüssel zu unserem Erfolg”, sagt Levi, “war das Verständnis, dass die Rhythmen der künstlichen Neuronen denen der echten Neuronen entsprechen mussten. Sobald wir dies erreicht hatten, konnte das biologische Netzwerk auf die ‘Melodien’ reagieren, die von dem künstlichen Netzwerk gesendet wurden. Vorläufige Ergebnisse, die während des European Brainbow-Projekts erzielt wurden, halfen uns, diese biomimetischen künstlichen Neuronen zu entwerfen.”

Die Forscher fanden schließlich die beste Übereinstimmung, nachdem das künstliche neuronale Netzwerk auf verschiedene Rhythmen abgestimmt wurde und sie in der Lage waren, Änderungen in den globalen Rhythmen des biologischen Netzwerks zu identifizieren.

“Die Integration der Optogenetik in das System ist ein Schritt in Richtung Praktikabilität”, sagt Levi. “Es wird es zukünftigen biomimetischen Geräten ermöglichen, mit bestimmten Arten von Neuronen oder innerhalb spezifischer neuronalen Schaltkreise zu kommunizieren.”

Die zukünftigen Prothesengeräte, die mit dem System entwickelt werden, könnten beschädigte Hirnschaltkreise ersetzen. Sie könnten auch die Kommunikation zwischen verschiedenen Regionen des Gehirns wiederherstellen. All dies könnte zu einer extrem beeindruckenden Generation von Neuroprothesen führen.