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 βιολογικά νευρωνικά δίκτυα. Η νέα ανάπτυξη είναι ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός για τις νευροπρωσθητικές συσκευές, οι οποίες αντικαθιστούν τις κατεστραμμένες νευρώνες με τεχνητά νευρωνικά κυκλώματα. 

Η νέα μέθοδος βασίζεται στη μετατροπή των τεχνητών ηλεκτρικών σπινδών σημάτων σε ένα οπτικό μοτίβο. Αυτό χρησιμοποιείται, μέσω οπτογενετικής διέγερσης, για να ενταχθεί στα βιολογικά νευρώνες. 

Το άρθρο με τίτλο “Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation” δημοσιεύθηκε στο Scientific Reports.

Τεχνολογία Νευροπρωσθητικών

Μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής τον ερευνητή Ikerbasque Paolo Bonifazi από το Ινστιτούτο Ερευνών Biocruces Health Research Institute στο Μπιλμπάο, Ισπανία, αποφάσισε να δημιουργήσει τεχνολογία νευροπρωσθητικών. Στη ομάδα συμμετείχε ο Timothée Levi από το Ινστιτούτο Βιομηχανικών Επιστημών, το Πανεπιστήμιο του Τόκιο.

Μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που περιβάλλουν αυτή τη τεχνολογία είναι ότι οι νευρώνες στο εγκέφαλο είναι εξαιρετικά ακριβείς όταν επικοινωνούν. Όταν πρόκειται για ηλεκτρικά νευρωνικά δίκτυα, η ηλεκτρική έξοδος δεν είναι ικανή να στοχεύει συγκεκριμένους νευρώνες. 

Για να ξεπεραστούν αυτά, η ομάδα ερευνητών μετέτρεψε τα ηλεκτρικά σήματα σε φως. 

Σύμφωνα με τον Levi, “οι προόδους στην οπτογενετική τεχνολογία μας επέτρεψαν να στοχεύσουμε με ακρίβεια τους νευρώνες σε μια πολύ μικρή περιοχή του βιολογικού νευρωνικού δικτύου μας.”

Οπτογενετική

Η οπτογενετική είναι μια τεχνολογία που βασίζεται στις φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες που βρίσκονται σε φύκη και άλλα ζώα. Όταν αυτές οι πρωτεΐνες εισαχθούν σε νευρώνες, το φως μπορεί να στείλει ένα σήμα για να ενεργοποιήσει ή να απενεργοποιήσει τον νευρώνα, ανάλογα με τον τύπο της πρωτεΐνης. 

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν συγκεκριμένες πρωτεΐνες που ενεργοποιούνταν από το μπλε φως στο έργο. Το πρώτο βήμα ήταν να μετατρέψουν την ηλεκτρική έξοδο του σπινδών νευρωνικού δικτύου σε ένα σκακιέρα μοτίβο αποτελούμενο από μπλε και μαύρες τετραγωνικές. Αυτό το μοτίβο προβλήθηκε με φως σε ένα 0,8 x 0,8 mm τετράγωνο του βιολογικού νευρωνικού δικτύου, το οποίο μεγάλωνε σε ένα πιάτο. Όταν συνέβη αυτό, μόνο οι νευρώνες που χτυπήθηκαν από το φως που προέρχονταν από τα μπλε τετραγωνικά ενεργοποιήθηκαν. 

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

Συγχρονική δραστηριότητα παράγεται σε καλλιεργημένους νευρώνες όποτε υπάρχει αυθόρμητη δραστηριότητα. Αυτό οδηγεί σε einen τύπο ρυθμού που βασίζεται στον τρόπο με τον οποίο οι νευρώνες συνδέονται, τους διαφορετικούς τύπους νευρώνων και πώς προσαρμόζονται και αλλάζουν. 

“Το κλειδί της επιτυχίας μας”, λέει ο Levi, “ήταν να κατανοήσουμε ότι οι ρυθμοί των τεχνητών νευρώνων έπρεπε να ταιριάζουν με αυτούς των πραγματικών νευρώνων. Μόλις μπορέσαμε να το κάνουμε αυτό, το βιολογικό δίκτυο ήταν σε θέση να ανταποκριθεί στα ‘μελωδίες’ που στάλθηκαν από το τεχνητό. Τα προκαταρκτικά αποτελέσματα που λήφθηκαν κατά τη διάρκεια του Ευρωπαϊκού Προγράμματος Brainbow, μας βοήθησαν να σχεδιάσουμε αυτά τα βιομιμητικά τεχνητά νευρώνες.”

Οι ερευνητές τελικά βρήκαν την καλύτερη αντιστοιχία μετά τη ρύθμιση του τεχνητού νευρωνικού δικτύου σε διαφορετικούς ρυθμούς και ήταν σε θέση να αναγνωρίσουν 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 εντός συγκεκριμένων νευρωνικών κυκλωμάτων.”

Οι μελλοντικές πρωσθητικές συσκευές που αναπτύσσονται με το σύστημα θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τις κατεστραμμένες εγκεφαλικές κυκλώματα. Θα μπορούσαν επίσης να επαναφέρουν την επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών περιοχών του εγκεφάλου. Όλα αυτά θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μια εξαιρετικά εντυπωσιακή γενιά νευροπρωσθητικών.