Onderzoekers ontwikkelen methode voor kunstmatige neurale netwerken om te communiceren met biologische netwerken

Een groep onderzoekers heeft een manier ontwikkeld om kunstmatige neurale netwerken te laten communiceren met biologische neurale netwerken. Deze nieuwe ontwikkeling is een grote stap vooruit voor neuroprothese-apparaten, die beschadigde neuronen vervangen door kunstmatige neurale schakelingen.

De nieuwe methode is gebaseerd op de omzetting van kunstmatige elektrische signalen naar een visueel patroon. Dit patroon wordt vervolgens gebruikt, via optogenetische stimulatie, om de biologische neuronen te activeren.

Het artikel met de titel “Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation” is gepubliceerd in Scientific Reports.

Neuroprothese-technologie

Een internationaal team onder leiding van Ikerbasque-onderzoeker Paolo Bonifazi van het Biocruces Health Research Institute in Bilbao, Spanje, heeft zich ten doel gesteld om neuroprothese-technologie te ontwikkelen. Hij werd vergezeld door Timothée Levi van het Institute of Industrial Science, The University of Tokyo.

Een van de grootste uitdagingen bij deze technologie is dat neuronen in de hersenen extreem precies communiceren. Wanneer het gaat om elektrische neurale netwerken, is de elektrische output niet in staat om specifieke neuronen te raken.

Om dit probleem te omzeilen, hebben de onderzoekers de elektrische signalen omgezet in licht.

Volgens Levi “hebben de vooruitgang in optogenetische technologie ons in staat gesteld om specifieke neuronen in een zeer kleine gebied van ons biologisch neurale netwerk te raken.”

Optogenetica

Optogenetica is een technologie die gebruikmaakt van lichtgevoelige eiwitten die worden aangetroffen in algen en andere dieren. Wanneer deze eiwitten in neuronen worden geïntroduceerd, kan licht op een neuron worden gericht om het actief of inactief te maken, afhankelijk van het type eiwit.

De onderzoekers hebben specifieke eiwitten gebruikt die geactiveerd werden door blauw licht in het project. De eerste stap was om de elektrische output van het spikende neurale netwerk om te zetten in een schaakbordpatroon bestaande uit blauwe en zwarte vierkanten. Dit patroon werd vervolgens door licht geprojecteerd op een 0,8 x 0,8 mm vierkant van het biologische neurale netwerk, dat in een schaal groeide. Toen dit gebeurde, werden alleen de neuronen geraakt door het licht dat uit de blauwe vierkanten kwam geactiveerd.

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

Synchroniseerde activiteit wordt geproduceerd in gekweekte neuronen wanneer er spontane activiteit is. Dit resulteert in een soort ritme dat gebaseerd is op de manier waarop de neuronen met elkaar zijn verbonden, de verschillende soorten neuronen en hoe ze zich aanpassen en veranderen.

“De sleutel tot ons succes”, zegt Levi, “was het begrijpen dat de ritmes van de kunstmatige neuronen moesten overeenkomen met die van de echte neuronen. Eenmaal we dit konden doen, kon het biologische netwerk reageren op de “melodieën” die door het kunstmatige netwerk werden verzonden. Voorlopige resultaten die zijn behaald tijdens het European Brainbow-project, hebben ons geholpen om deze biomimetische kunstmatige neuronen te ontwerpen.”

De onderzoekers vonden uiteindelijk de beste overeenkomst nadat het kunstmatige neurale netwerk was afgestemd op verschillende ritmes en ze in staat waren om veranderingen te identificeren in de globale ritmes van het biologische netwerk.

“Het incorporeren van optogenetica in het systeem is een stap naar praktische toepassing”, zegt Levi. “Het zal toekomstige biomimetische apparaten in staat stellen om te communiceren met specifieke soorten neuronen of binnen specifieke neurale circuits.”

De toekomstige prothese-apparaten die met het systeem worden ontwikkeld, kunnen beschadigde hersencircuits vervangen. Ze kunnen ook de communicatie tussen verschillende delen van de hersenen herstellen. Alles kan leiden tot een extreem indrukwekkende generatie van neuroprotheses.