研究者が人工神経ネットワークと生物学的ネットワークの通信方法を開発

研究者の一群は、人工神経ネットワークと生物学的神経ネットワークの通信方法を開発した。この新しい開発は、損傷した神経を人工神経回路で置き換える神経プロテーゼデバイスにとって、大きな前進である。

新しい方法は、人工の電気スパイク信号を視覚パターンに変換し、光遺伝学的刺激を使用して生物学的神経を同期させることに依存している。

「Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation」というタイトルの記事は、Scientific Reports.

神経プロテーゼ技術

スペインのビルバオにあるBiocruces Health Research InstituteのIkerbasque Researcher Paolo Bonifaziが率いる国際チームは、神経プロテーゼ技術を作成しようとした。彼は、東京大学のInstitute of Industrial ScienceのTimothée Leviと共同で研究を行った。

この技術を取り巻く最大の課題の1つは、脳の神経が非常に精密に通信することである。電気神経ネットワークの場合、電気出力は特定の神経をターゲットにすることができない。

これを回避するために、研究チームは電気信号を光に変換した。

Leviによると、「光遺伝学技術の進歩により、生物学的神経ネットワークの非常に小さな領域にある特定の神経を正確にターゲットにすることができた。」

光遺伝学

光遺伝学は、藻類や他の動物に見られる光感受性タンパク質に依存する技術である。これらのタンパク質を神経に挿入すると、光を照射することで神経を活性化または非活性化させることができる。

研究者は、プロジェクトで青色光によって活性化される特定のタンパク質を使用した。最初のステップは、スパイク神経ネットワークの電気出力を、青と黒の正方形で構成されるチェッカーパターンに変換することであった。このパターンは、0.8 x 0.8 mmの生物学的神経ネットワークの正方形に光で投影された。そうすると、青い正方形からの光に当たった神経のみが活性化された。

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

培養神経では、自発的な活動があれば、同期活動が生じる。これにより、神経の接続方法、神経の種類、適応と変化に基づくリズムが生じる。

「私たちの成功の鍵は、人工神経のリズムが実際の神経のリズムと一致する必要があることを理解することだった」とLeviは言う。「一度これができると、生物学的ネットワークは人工的なものからの「メロディー」に応答できるようになった。欧州Brainbowプロジェクトの予備的な結果は、これらの生体模倣人工神経を設計するのに役立つ。」

研究者は、人工神経ネットワークをさまざまなリズムに調整した後、生物学的ネットワークの全体的なリズムの変化を特定することができた。

「システムに光遺伝学を組み込むことは、実用性への進歩である」とLeviは言う。「これにより、将来の生体模倣デバイスは、特定の種類の神経または特定の神経回路と通信できるようになる。」

このシステムで開発される将来のプロテーゼデバイスは、損傷した脳回路を置き換えることができる。また、脳のさまざまな領域間の通信を回復させることもできる。これにより、非常に印象的な神経プロテーゼの世代が生まれることになる。