Forskere utvikler metode for kunstige nevronale nettverk å kommunisere med biologiske

En gruppe forskere har utviklet en måte for kunstige nevronale nettverk å kommunisere med biologiske nevronale nettverk. Den nye utviklingen er et stort skritt fremover for neuroprotese-enheter, som erstatter skadde neuroner med kunstige nevronale kretser. 

Den nye metoden bygger på omforming av kunstige elektriske spenningssignaler til et visuelt mønster. Dette brukes så, via optogenetisk stimulering, for å synkronisere de biologiske neuronene. 

Artikkelen med tittelen “Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation” ble publisert i Scientific Reports.

Neuroprotese-teknologi

Et internasjonalt team ledet av Ikerbasque-forsker Paolo Bonifazi fra Biocruces Health Research Institute i Bilbao, Spania, satte ut til å skape neuroprotese-teknologi. Han ble ledsaget av Timothée Levi fra Institute of Industrial Science, The University of Tokyo.

En av de største utfordringene rundt denne teknologien er at neuroner i hjernen er ekstremt nøyaktige når de kommuniserer. Når det gjelder elektriske nevronale nettverk, er det elektriske utgangspunktet ikke i stand til å målrette bestemte neuroner. 

For å komme rundt dette, konverterte forskerlaget de elektriske signalene til lys. 

Ifølge Levi, “fremskritt i optogenetisk teknologi tillot oss å målrette neuroner i et meget lite område av vårt biologiske nevronale nettverk.”

Optogenetikk

Optogenetikk er en teknologi som bygger på lys-sensitive proteiner som finnes i alger og andre dyr. Når disse proteinene settes inn i neuroner, kan lys skines på en neuron for å gjøre den aktiv eller inaktiv, avhengig av protein-type. 

Forskerne brukte bestemte proteiner som ble aktivert av blått lys i prosjektet. Første skritt var å konvertere det elektriske utgangspunktet fra det spenningssignale-nevronale nettverket til et sjakkmønster bestående av blå og svarte felter. Dette mønsteret ble så projisert med lys ned på en 0,8 x 0,8 mm firkant av det biologiske nevronale nettverket, som vokste i en skål. Når dette skjedde, ble bare neuronene som ble truffet av lyset fra de blå feltene aktivert. 

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

Synkron aktivitet produseres i dyrkede neuroner når det er spontan aktivitet. Dette resulterer i en type rytme som er basert på hvordan neuronene er koblet sammen, de forskjellige typene neuroner, og hvordan de tilpasser seg og endrer seg. 

“Nøkkelen til vår suksess,” sier Levi, “var å forstå at rytmen til de kunstige neuronene måtte matche de til de ekte neuronene. Når vi først kunne gjøre dette, kunne det biologiske nettverket svare på “melodiene” sendt av det kunstige. Preliminære resultater fra det europeiske Brainbow-prosjektet hjalp oss å designe disse biomimetiske kunstige neuronene.”

Forskerne fant til slutt den beste matchen etter at det kunstige nevronale nettverket var justert til forskjellige rytmer, og de kunne identifisere endringer i de globale rytmer i det biologiske nettverket.

“Inkludering av optogenetikk i systemet er et skritt mot praktisitet,” sier Levi. “Det vil tillate fremtidige biomimetiske enheter å kommunisere med bestemte typer neuroner eller innen bestemte nevronale kretser.”

Fremtidige protese-enheter som utvikles med systemet kunne erstatter skadde hjerne-kretser. De kunne også gjenopprette kommunikasjonen mellom forskjellige regioner av hjernen. All dette kunne føre til en ekstremt imponerende generasjon av neuroprotese.