I ricercatori sviluppano un metodo per le reti neurali artificiali per comunicare con quelle biologiche

Un gruppo di ricercatori ha sviluppato un modo per le reti neurali artificiali di comunicare con le reti neurali biologiche. Il nuovo sviluppo rappresenta un grande passo avanti per i dispositivi neuroprotesici, che sostituiscono i neuroni danneggiati con circuiti neurali artificiali.

Il nuovo metodo si basa sulla conversione dei segnali elettrici di spike artificiali in un pattern visivo. Questo pattern viene quindi utilizzato, attraverso la stimolazione optogenetica, per sincronizzare i neuroni biologici.

L’articolo intitolato “Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation” è stato pubblicato su Scientific Reports.

Tecnologia neuroprotesica

Un team internazionale guidato da Ikerbasque Researcher Paolo Bonifazi dell’Istituto di Ricerca Biocruces di Bilbao, in Spagna, ha cercato di creare tecnologia neuroprotesica. Era accompagnato da Timothée Levi dell’Istituto di Scienza Industriale dell’Università di Tokyo.

Una delle sfide più grandi che circondano questa tecnologia è che i neuroni nel cervello sono estremamente precisi quando comunicano. Quando si tratta di reti neurali elettriche, l’output elettrico non è in grado di mirare a neuroni specifici.

Per superare questo problema, il team di ricercatori ha convertito i segnali elettrici in luce.

Secondo Levi, “i progressi nella tecnologia optogenetica ci hanno permesso di mirare con precisione ai neuroni in una piccola area della nostra rete neurale biologica.”

Optogenetica

L’optogenetica è una tecnologia che si basa sulle proteine sensibili alla luce presenti nelle alghe e in altri animali. Quando queste proteine vengono inserite nei neuroni, la luce può essere proiettata su un neurone per attivarlo o disattivarlo, a seconda del tipo di proteina.

I ricercatori hanno utilizzato proteine specifiche che venivano attivate dalla luce blu nel progetto. Il primo passo è stato convertire l’output elettrico della rete neurale di spike in un pattern a scacchiera composto da quadrati blu e neri. Questo pattern è stato poi proiettato con la luce su una superficie di 0,8 x 0,8 mm della rete neurale biologica, che cresceva in una piastra. Quando questo è successo, solo i neuroni colpiti dalla luce proveniente dai quadrati blu sono stati attivati.

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L’attività sincrona si produce nei neuroni coltivati ogni volta che c’è un’attività spontanea. Ciò risulta in un tipo di ritmo basato sul modo in cui i neuroni sono connessi, i diversi tipi di neuroni e come si adattano e cambiano.

“La chiave del nostro successo”, dice Levi, “è stata capire che i ritmi dei neuroni artificiali dovevano corrispondere a quelli dei neuroni reali. Una volta che siamo stati in grado di farlo, la rete biologica è stata in grado di rispondere alle ‘melodie’ inviate da quella artificiale. I risultati preliminari ottenuti durante il progetto European Brainbow ci hanno aiutato a progettare questi neuroni artificiali biomimetici.”

I ricercatori hanno eventualmente trovato la migliore corrispondenza dopo che la rete neurale artificiale è stata regolata su diversi ritmi e sono stati in grado di identificare i cambiamenti nei ritmi globali della rete biologica.

“Incorporare l’optogenetica nel sistema è un passo avanti verso la praticità”, dice Levi. “Ci permetterà di creare dispositivi biomimetici futuri in grado di comunicare con tipi specifici di neuroni o all’interno di circuiti neurali specifici.”

I dispositivi prostetici futuri sviluppati con il sistema potrebbero sostituire i circuiti cerebrali danneggiati. Potrebbero anche ripristinare la comunicazione tra diverse aree del cervello. Tutto ciò potrebbe portare a una generazione estremamente impressionante di neuroprotesi.