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 przekształceniu sztucznych sygnałów elektrycznych w wzór wizualny. Następnie wzór ten jest używany, za pomocą stymulacji optogenetycznej, w celu synchronizacji neuronów biologicznych.

Artykuł pt. „W kierunku komunikacji w czasie rzeczywistym z sieci sztucznych do biologicznych sieci neuronalnych za pomocą stymulacji optogenetycznej” został opublikowany w Scientific Reports.

Technologia Neuroprotezy

Międzynarodowy zespół kierowany przez Ikerbasque Researcher Paolo Bonifazi z Biocruces Health Research Institute w Bilbao, Hiszpania, podjął się stworzenia technologii neuroprotezy. Do zespołu dołączył 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. W przypadku sieci neuronalnych elektrycznych wyjście elektryczne nie jest w stanie celować w określone neurony.

Aby obejść ten problem, zespół naukowców przekształcił sygnały elektryczne w światło.

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

Optogenetyka

Optogenetyka to technologia, która opiera się na białkach wrażliwych na światło, występujących 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 przekształcenie elektrycznego wyjścia sieci neuronalnej w szachownicowy wzór składający się z kwadratów niebieskich i czarnych. Wzór ten był następnie projekowany światłem na 0,8 na 0,8 mm kwadrat 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

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

“Kluczem do naszego sukcesu” mówi Levi, “było zrozumienie, że rytm sztucznych neuronów musi odpowiadać rytmom rzeczywistych neuronów. Gdy tylko byliśmy w stanie to zrobić, biologiczna sieć była w stanie odpowiedzieć na “melodie” wysyłane przez sztuczną sieć. 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. “To pozwoli przyszłym urządzeniom biomimetycznym komunikować się z określonymi typami neuronów lub w określonych obwodach neuronalnych.”

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