Tutkijat kehittivät menetelmän, jolla keinotekoiset hermosolmukeverkot voivat viestiä biologisten hermosolmukeverkkojen kanssa

Tutkijaryhmä on kehittänyt tavan, jolla keinotekoiset hermosolmukeverkot voivat viestiä biologisten hermosolmukeverkkojen kanssa. Uusi kehitys on suuri askel eteenpäin neuroproteesejä kehitettäessä, jotka korvaavat vahingoittuneet hermosolut keinotekoisilla hermosolmupiirien kanssa.

Uusi menetelmä perustuu keinotekoisten sähköisten hermosolmujen muuntamiseen visuaaliseen kuvaan. Tämä kuva käytetään sitten optogenettisen stimulaation kautta biologisten hermosolmujen säätelyyn.

Artikkeli, joka on otsikoitu ”Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation”, on julkaistu Scientific Reports -julkaisussa.

Neuroproteetiikkateknologia

Kansainvälinen tutkijaryhmä, jota johti Ikerbasque-tutkija Paolo Bonifazi Biocrucesin terveydenhuollon tutkimusinstituutista Bilbaosta, Espanjasta, pyrki kehittämään neuroproteetiikkateknologiaa. Ryhmään kuului myös Timothée Levi Institute of Industrial Science -yliopistosta Tokiosta.

Yksi suurimmista haasteista tämän teknologian ympärillä on, että aivot ovat erittäin tarkkoja viestittäessään. Sähköisten hermosolmujen osalta sähköinen lähtö ei kykene kohdistamaan tiettyjä hermosoluja.

Tutkijaryhmä kiersi tämän ongelman muuntamalla sähköiset signaalit valoksi.

Levin mukaan, ”optogenetiikan edistysaskel mahdollistivat tarkan kohdistamisen biologisen hermosolmukeverkon hyvin pienelle alueelle.”

Optogenetiikka

Optogenetiikka on teknologia, joka perustuu valolle herkkäisiin proteiineihin, joita löytyy levistä ja muista eläimistä. Kun nämä proteiinit lisätään hermosolmuun, valoa voidaan suunnata hermosolmuun, jolloin se voidaan aktivoida tai deaktivoida, riippuen proteiinin tyypistä.

Tutkijat käyttivät tiettyjä proteiineja, jotka aktivoituvat sinisestä valosta. Ensimmäinen askel oli muuttaa sähköinen lähtö hermosolmukeverkosta ruutuiseen kuvaan, joka koostui sinisistä ja mustista ruuduista. Tämä kuva heijastettiin valolla 0,8 x 0,8 mm:n alueelle biologisesta hermosolmukeverkosta, joka kasvoi lautasella. Kun tämä tapahtui, vain ne hermosolut, jotka osuivat valoon sinisistä ruuduista, aktivoituivat.

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

Synchronous toiminta tuotetaan kultivoitujen hermosolmujen aikana, kun on spontaania toimintaa. Tämä johtaa rytmiin, joka perustuu siihen, miten hermosolut ovat kytketty toisiinsa, eri tyypit hermosoluja ja miten ne sopeutuvat ja muuttuvat.

”Avain menestykseemme”, sanoo Levi, ”oli ymmärtää, että keinotekoisten hermosolmujen rytmit olivat vastattava biologisia hermosolmujen rytmejä. Kun pystyimme tekemään tämän, biologinen verkko pystyi vastaamaan ”melodioihin”, jotka keinotekoinen verkko lähetti. Alustavat tulokset, jotka saatiin Euroopan Brainbow-projektissa, auttoivat meitä suunnittelemaan nämä biomimeettiset keinotekoiset hermosolut.”

Tutkijat löysivät lopulta parhaan vastineen, kun keinotekoinen hermosolmukeverkko oli säätelty eri rytmeihin, ja he pystyivät tunnistamaan muutokset biologisen verkon globaaleissa rytmeissä.

”Optogenetiikan sisällyttäminen järjestelmään on askel kohti käytännöllisyyttä”, sanoo Levi. ”Se mahdollistaa tulevaisuudessa biomimeettisten laitteiden viestinnän tiettyjen hermosolujen tai tiettyjen hermosolmukeverkkojen kanssa.”

Tulevaisuuden proteesilaitteet, jotka kehitetään tämän järjestelmän avulla, voivat korvata vahingoittuneita aivopiirejä. Ne voivat myös palauttaa viestinnän eri aivoalueiden välillä. Kaikki tämä voi johtaa erittäin vaikuttavaan sukupolveen neuroproteeseja.