Ερευνητές αναπτύσσουν μέθοδο για τεχνητά νευρωνικά δίκτυα για επικοινωνία με βιολογικά

Μια ομάδα ερευνητών έχει αναπτύξει έναν τρόπο για τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα να επικοινωνούν με τα βιολογικά νευρωνικά δίκτυα. Η νέα εξέλιξη είναι ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός για τις νευροπροσθετικές συσκευές, οι οποίες αντικαθιστούν τους κατεστραμμένους νευρώνες με τεχνητά νευρωνικά κυκλώματα. 

Η νέα μέθοδος βασίζεται στη μετατροπή τεχνητών ηλεκτρικών σημάτων αιχμής σε οπτικό μοτίβο. Αυτό στη συνέχεια χρησιμοποιείται, μέσω οπτογενετικής διέγερσης, προκειμένου να παρασύρει τους βιολογικούς νευρώνες. 

Το άρθρο με τίτλο «Προς νευροπροσθετική επικοινωνία σε πραγματικό χρόνο από το in silico στο βιολογικό νευρωνικό δίκτυο μέσω διαμορφωμένης οπτογενετικής διέγερσης» δημοσιεύτηκε στο Επιστημονικές εκθέσεις.

Τεχνολογία Νευροπροσθετικής

Μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής τον ερευνητή του Ikerbasque Paolo Bonifazi από το Biocruces Health Research Institute στο Μπιλμπάο της Ισπανίας, ξεκίνησε να δημιουργήσει νευροπροσθετική τεχνολογία. Μαζί του ήταν ο Timothée Levi από το Ινστιτούτο Βιομηχανικής Επιστήμης του Πανεπιστημίου του Τόκιο.

Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις γύρω από αυτήν την τεχνολογία είναι ότι οι νευρώνες στον εγκέφαλο είναι εξαιρετικά ακριβείς όταν επικοινωνούν. Όταν πρόκειται για ηλεκτρικά νευρωνικά δίκτυα, η ηλεκτρική έξοδος δεν είναι ικανή να στοχεύει συγκεκριμένους νευρώνες. 

Για να το ξεπεράσει αυτό, η ομάδα των ερευνητών μετέτρεψε τα ηλεκτρικά σήματα σε φως. 

Σύμφωνα με τον Levi, «η πρόοδος στην οπτογενετική τεχνολογία μας επέτρεψε να στοχεύσουμε με ακρίβεια τους νευρώνες σε μια πολύ μικρή περιοχή του βιολογικού νευρωνικού μας δικτύου».

Οπτογενετική

Η Οπτογενετική είναι μια τεχνολογία που βασίζεται στις φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες που βρίσκονται στα φύκια και σε άλλα ζώα. Όταν αυτές οι πρωτεΐνες εισάγονται σε νευρώνες, το φως μπορεί να εκτοξευθεί σε έναν νευρώνα για να τον καταστήσει ενεργό ή ανενεργό, ανάλογα με τον τύπο της πρωτεΐνης. 

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν συγκεκριμένες πρωτεΐνες που ενεργοποιήθηκαν από το μπλε φως στο έργο. Το πρώτο βήμα ήταν να μετατρέψουμε την ηλεκτρική έξοδο του νευρωνικού δικτύου σε ένα καρό μοτίβο που αποτελείται από μπλε και μαύρα τετράγωνα. Αυτό το μοτίβο στη συνέχεια προβλήθηκε από το φως σε ένα τετράγωνο 0.8 επί 0.8 mm του βιολογικού νευρωνικού δικτύου, το οποίο μεγάλωνε σε ένα πιάτο. Όταν συνέβη αυτό, ενεργοποιήθηκαν μόνο οι νευρώνες που χτυπήθηκαν από το φως που προέρχεται από τα μπλε τετράγωνα. 

Η σύγχρονη δραστηριότητα παράγεται σε καλλιεργημένους νευρώνες όποτε υπάρχει αυθόρμητη δραστηριότητα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα έναν τύπο ρυθμού που βασίζεται στον τρόπο που συνδέονται οι νευρώνες μεταξύ τους, στους διαφορετικούς τύπους νευρώνων και στον τρόπο προσαρμογής και αλλαγής τους. 

«Το κλειδί της επιτυχίας μας», λέει ο Levi, «ήταν η κατανόηση ότι οι ρυθμοί των τεχνητών νευρώνων έπρεπε να ταιριάζουν με εκείνους των πραγματικών νευρώνων. Μόλις μπορέσαμε να το κάνουμε αυτό, το βιολογικό δίκτυο ήταν σε θέση να ανταποκριθεί στις «μελωδίες» που έστελνε το τεχνητό. Τα προκαταρκτικά αποτελέσματα που ελήφθησαν κατά τη διάρκεια του Ευρωπαϊκού έργου Brainbow, μας βοηθούν να σχεδιάσουμε αυτούς τους βιομιμητικούς τεχνητούς νευρώνες».

Οι ερευνητές βρήκαν τελικά το καλύτερο ταίρι αφού το τεχνητό νευρωνικό δίκτυο συντονίστηκε σε διαφορετικούς ρυθμούς και κατάφεραν να εντοπίσουν αλλαγές στους παγκόσμιους ρυθμούς του βιολογικού δικτύου.

«Η ενσωμάτωση της οπτογενετικής στο σύστημα είναι μια πρόοδος προς την πρακτικότητα», λέει ο Levi. «Θα επιτρέψει στις μελλοντικές βιομιμητικές συσκευές να επικοινωνούν με συγκεκριμένους τύπους νευρώνων ή μέσα σε συγκεκριμένα νευρωνικά κυκλώματα».

Οι μελλοντικές προσθετικές συσκευές που θα αναπτυχθούν με το σύστημα θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τα κατεστραμμένα κυκλώματα του εγκεφάλου. Θα μπορούσαν επίσης να αποκαταστήσουν την επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών περιοχών του εγκεφάλου. Όλα αυτά θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μια εξαιρετικά εντυπωσιακή γενιά νευροπροσθετικών.