Ερευνητές Ανάπτυσσουν Μέθοδο για Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα να Επικοινωνούν 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 νευροπροσθετικές συσκευές, οι οποίες αντικαθιστούν τα κατεστραμμένα νευρικά κύτταρα με τεχνητά νευρωνικά κυκλώματα.

Η νέα μέθοδος βασίζεται στη μετατροπή τεχνητών ηλεκτρικών σήματος σε οπτικό μοτίβο. Αυτό χρησιμοποιείται, μέσω οπτογενετικής διέγερσης, για να ενεργοποιήσει τα βιολογικά νευρικά κύτταρα.

Το άρθρο με τίτλο “Προς νευροπροσθετική επικοινωνία σε πραγματικό χρόνο από το σιλίκο στη βιολογική νευρωνική δικτύωση μέσω οπτογενετικής διέγερσης” δημοσιεύθηκε στο Επιστημονικές Εκθέσεις.

Τεχνολογία Νευροπροσθέσεων

Μια διεθνής ομάδα με επικεφαλή τον ερευνητή Paolo Bonifazi από το Ινστιτούτο Ερευνών Biocruces στη Μπιλμπάο της Ισπανίας, ξεκίνησε να δημιουργήσει τεχνολογία νευροπροσθέσεων. Στη ομάδα συμμετείχε επίσης ο Timothée Levi από το Ινστιτούτο Βιομηχανικών Επιστημών, του Πανεπιστημίου του Τόκιο.

Ένας από τους μεγαλύτερους προβληματισμούς που περιβάλλουν αυτή τη τεχνολογία είναι ότι τα νευρικά κύτταρα στο εγκέφαλο είναι εξαιρετικά ακριβή όταν επικοινωνούν. Όταν πρόκειται για ηλεκτρικά νευρωνικά δίκτυα, η ηλεκτρική έξοδος δεν είναι σε θέση να στοχεύσει συγκεκριμένα νευρικά κύτταρα.

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

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

Οπτογενετική

Η οπτογενετική είναι μια τεχνολογία που βασίζεται στις φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες που βρίσκονται σε φύκια και άλλα ζώα. Όταν αυτές οι πρωτεΐνες εισαχθούν σε νευρικά κύτταρα, το φως μπορεί να προκαλέσει την ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση των νευρικών κυττάρων, ανάλογα με τον τύπο της πρωτεΐνης.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν συγκεκριμένες πρωτεΐνες που ενεργοποιούνταν από το μπλε φως στο πρότζεκτ. Το πρώτο βήμα ήταν να μετατρέψουν την ηλεκτρική έξοδο του σπाइकινγκ νευρωνικού δικτύου σε ένα σκακιέρο μοτίβο αποτελούμενο από μπλε και μαύρα τετράγωνα. 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 τα νευρικά κύτταρα που χτυπήθηκαν από το φως που προέρχονταν από τα μπλε τετράγωνα ενεργοποιήθηκαν.

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

Η συγχρονική δραστηριότητα παράγεται σε καλλιεργημένα νευρικά κύτταρα όταν υπάρχει αυθόρμητη δραστηριότητα. Αυτό οδηγεί σε einen τύπο ρυθμού που βασίζεται στον τρόπο με τον οποίο τα νευρικά κύτταρα συνδέονται μεταξύ τους, τους διαφορετικούς τύπους νευρικών κυττάρων και τον τρόπο με τον οποίο προσαρμόζονται και αλλάζουν.

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

Οι ερευνητές τελικά βρήκαν την καλύτερη αντιστοιχία μετά την τεχνητή νευρωνική δικτύωση είχε ρυθμιστεί σε διαφορετικούς ρυθμούς και ήταν σε θέση να αναγνωρίσουν αλλαγές στους παγκόσμιους ρυθμούς του βιολογικού δικτύου.

“Η ενσωμάτωση της οπτογενετικής στο σύστημα είναι ένα βήμα προς την πρακτικότητα”, λέει ο Levi. “Θα επιτρέψει σε μελλοντικές βιομιμητικές συσκευές να επικοινωνούν με συγκεκριμένους τύπους νευρικών κυττάρων ή μέσα σε συγκεκριμένα νευρωνικά κύκλωμα.”

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