Naukowcy opracowali metodę komunikacji sztucznych sieci neuronalnych z biologicznymi

Grupa naukowców opracowała sposób, aby sztuczne sieci neuronalne mogły komunikować się z biologicznymi sieciami neuronalnymi. Nowy rozwój jest dużym krokiem naprzód dla urządzeń neuroprotezy, które zastępują uszkodzone neurony sztucznymi obwodami neuronalnymi. 

Nowa metoda opiera się na konwersji sztucznych sygnałów elektrycznych na wzór wizualny. Następnie jest on używany za pomocą stymulacji optogenetycznej, aby synchronizować biologiczne neurony. 

Artykuł zatytułowany „Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation” został opublikowany w Scientific Reports.

Technologia neuroprotezy

Międzynarodowy zespół pod kierunkiem Ikerbasque Researcher Paolo Bonifazi z Biocruces Health Research Institute w Bilbao, Hiszpania, podjął się stworzenia technologii neuroprotezy. Dołączył do niego Timothée Levi z Institute of Industrial Science, Uniwersytetu Tokijskiego.

Jednym z największych wyzwań związanych z tą technologią jest to, że neurony w mózgu są niezwykle precyzyjne, gdy komunikują się. Gdy chodzi o elektryczne sieci neuronalne, wyjście elektryczne nie jest w stanie celować w określone neurony. 

Aby obejść ten problem, zespół naukowców przekonwertował sygnały elektryczne na światło. 

Według Levi, „postępy w technologii optogenetycznej pozwoliły nam na celowanie w neurony w bardzo małej powierzchni naszej biologicznej sieci neuronalnej.”

Optogenetyka

Optogenetyka to technologia, która opiera się na białkach wrażliwych na światło, które znajdują się w glonach i innych zwierzętach. Gdy te białka są wprowadzane do neuronów, światło może być skierowane na neuron, aby aktywować go lub dezaktywować, w zależności od rodzaju białka. 

Naukowcy użyli specyficznych białek, które były aktywowane przez światło niebieskie w projekcie. Pierwszym krokiem było przekonwertowanie elektrycznego wyjścia sieci neuronalnej na wzór szachownicy składający się z niebieskich i czarnych kwadratów. Następnie wzór ten był projekowany światłem na kwadrat o wymiarach 0,8 na 0,8 mm biologicznej sieci neuronalnej, która rosła w szalce. Gdy to nastąpiło, tylko neurony trafione przez światło z niebieskich kwadratów były aktywowane. 

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

Synchroniczna aktywność jest wytwarzana w hodowanych neuronach, gdy występuje spontaniczna aktywność. To powoduje powstanie rytmu opartego na sposobie, w jaki neurony są połączone, różnych typów neuronów i jak one adaptują się i zmieniają. 

“Kluczem do naszego sukcesu” – mówi Levi – “było zrozumienie, że rytm sztucznych neuronów musi odpowiadać rytmom prawdziwych neuronów. Gdy już byliśmy w stanie to zrobić, biologiczna sieć była w stanie odpowiedzieć na „melodie” wysyłane przez sztuczną. Wstępne wyniki uzyskane podczas projektu European Brainbow pomogły nam zaprojektować te biomimetyczne sztuczne neurony.” 

Naukowcy ostatecznie znaleźli najlepsze dopasowanie po tym, jak sztuczna sieć neuronalna została dostrojona do różnych rytmów, i byli w stanie zidentyfikować zmiany w globalnych rytmach biologicznej sieci. 

“Włączenie optogenetyki do systemu jest postępem w kierunku praktyczności” – mówi Levi. “Pozwoli to przyszłym biomimetycznym urządzeniom na komunikację z określonymi typami neuronów lub w określonych obwodach neuronalnych.” 

Przyszłe urządzenia protezy, które będą opracowane z tym systemem, mogą zastąpić uszkodzone obwody mózgu. Mogą one również przywrócić komunikację między różnymi regionami mózgu. To wszystko może doprowadzić do niezwykle imponującej generacji neuroprotez.