Forskere utvikler metode for kunstige nevronettverk til å kommunisere med biologiske

En gruppe forskere har utviklet en måte for kunstige nevronettverk å kommunisere med biologiske nevronettverk. Den nye utviklingen er et stort skritt fremover for neuroprostetiske enheter, som erstatter skadde nevroner med kunstige nevronkretser.

Den nye metoden baserer seg på omforming av kunstige elektriske signaler til et visuelt mønster. Dette brukes deretter, via optogenetisk stimulering, for å synkronisere de biologiske nevronene.

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

Neuroprostetisk teknologi

Et internasjonalt team ledet av Ikerbasque-forsker Paolo Bonifazi fra Biocruces Health Research Institute i Bilbao, Spania, satte ut til å skape neuroprostetisk 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 nevroner i hjernen er ekstremt nøyaktige når de kommuniserer. Når det gjelder elektriske nevronettverk, er elektrisk utgang ikke i stand til å målrette bestemte nevroner.

For å komme rundt dette, konverterte teamet av forskere de elektriske signalene til lys.

Ifølge Levi, “gjorde fremgangene i optogenetisk teknologi det mulig for oss å målrette nevroner i et svært lite område av vårt biologiske nevronettverk nøyaktig.”

Optogenetikk

Optogenetikk er en teknologi som baserer seg på lys-sensitive proteiner som finnes i alger og andre dyr. Når disse proteinene settes inn i nevroner, kan lys skines på en nevron for å gjøre den aktiv eller inaktiv, avhengig av proteinets type.

Forskerne brukte bestemte proteiner som ble aktivert av blått lys i prosjektet. Det første steget var å konvertere den elektriske utgangen av det spikende nevronettverket til et sjakkmønster bestående av blå og svarte felter. Dette mønsteret ble deretter projisert med lys ned på en 0,8 x 0,8 mm kvadratisk del av det biologiske nevronettverket, som vokste i en skål. Når dette skjedde, ble bare nevronene 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 nevroner når det er spontan aktivitet. Dette resulterer i en type rytme som baserer seg på hvordan nevronene er koblet sammen, de forskjellige typene nevroner og hvordan de tilpasser seg og endrer seg.

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

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

“Å inkorporere optogenetikk i systemet er et skritt mot praktisitet,” sier Levi. “Dette vil tillate fremtidige biomimetiske enheter å kommunisere med bestemte typer nevroner eller innen bestemte nevronkretser.”

De fremtidige prostetiske enhetene som utvikles med systemet kan erstatte skadde hjernekretser. De kan også gjenopprette kommunikasjonen mellom forskjellige regioner av hjernen. All dette kan føre til en ekstremt imponerende generasjon av nevroproteser.