Naukowcy opracowują metodę komunikacji sztucznych sieci neuronowych z sieciami biologicznymi

Grupa badaczy opracowała sposób komunikowania się sztucznych sieci neuronowych z biologicznymi sieciami neuronowymi. To nowe osiągnięcie stanowi duży krok naprzód w dziedzinie urządzeń neuroprotetycznych, które zastępują uszkodzone neurony sztucznymi obwodami neuronowymi. 

Nowa metoda opiera się na konwersji sztucznych sygnałów elektrycznych na wzór wizualny. Jest on następnie wykorzystywany poprzez stymulację optogenetyczną do porywania neuronów biologicznych. 

Artykuł zatytułowany „W stronę neuroprotetycznej komunikacji w czasie rzeczywistym z in silico do biologicznej sieci neuronowej poprzez wzorzystą stymulację optogenetyczną”Został opublikowany w Raporty naukowe.

Technologia neuroprotetyczna

Międzynarodowy zespół kierowany przez badacza Ikerbasque Paolo Bonifaziego z Instytutu Badań nad Zdrowiem Biocruces w Bilbao w Hiszpanii postanowił stworzyć technologię neuroprotetyczną. Dołączył do niego Timothée Levi z Instytutu Nauk Przemysłowych Uniwersytetu Tokijskiego.

Jednym z największych wyzwań związanych z tą technologią jest to, że neurony w mózgu komunikują się niezwykle precyzyjnie. Jeśli chodzi o elektryczne sieci neuronowe, moc wyjściowa nie jest w stanie oddziaływać na określone neurony. 

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

Według Leviego „postęp w technologii optogenetycznej pozwolił nam precyzyjnie namierzyć neurony na bardzo małym obszarze naszej biologicznej sieci neuronowej”.

Optogenetyka

Optogenetyka to technologia wykorzystująca światłoczułe białka występujące w algach i innych zwierzętach. Kiedy te białka są wstawiane do neuronów, na neuron można skierować światło, aby uczynić go aktywnym lub nieaktywnym, w zależności od rodzaju białka. 

W projekcie badacze wykorzystali specyficzne białka aktywowane niebieskim światłem. Pierwszym krokiem było przekształcenie mocy wyjściowej impulsowej sieci neuronowej w wzór szachownicy składający się z niebieskich i czarnych kwadratów. Wzór ten następnie rzutowano za pomocą światła na kwadrat biologicznej sieci neuronowej o wymiarach 0.8 na 0.8 mm, który rósł w naczyniu. Kiedy to nastąpiło, aktywowały się tylko neurony trafione światłem pochodzącym z niebieskich kwadratów. 

Aktywność synchroniczna jest wytwarzana w hodowanych neuronach zawsze, gdy występuje aktywność spontaniczna. Prowadzi to do powstania pewnego rodzaju rytmu opartego na sposobie, w jaki neurony są ze sobą połączone, na różnych typach neuronów oraz na tym, jak się dostosowują i zmieniają. 

„Kluczem do naszego sukcesu” – mówi Levi – „było zrozumienie, że rytmy sztucznych neuronów muszą odpowiadać rytmom neuronów prawdziwych. Kiedy już nam się to udało, sieć biologiczna była w stanie odpowiedzieć na „melodie” wysyłane przez sztuczną sieć. Wstępne wyniki uzyskane w ramach europejskiego projektu Brainbow pomagają nam zaprojektować te biomimetyczne sztuczne neurony”.

Ostatecznie naukowcy znaleźli najlepsze dopasowanie po dostrojeniu sztucznej sieci neuronowej do różnych rytmów i byli w stanie zidentyfikować zmiany w globalnych rytmach sieci biologicznej.

„Włączenie optogenetyki do systemu stanowi postęp w kierunku praktyczności” – mówi Levi. „Umożliwi to przyszłym urządzeniom biomimetycznym komunikację z określonymi typami neuronów lub w obrębie określonych obwodów neuronowych”.

Przyszłe urządzenia protetyczne opracowane w ramach tego systemu będą mogły zastąpić uszkodzone obwody mózgowe. Mogą także przywrócić komunikację między różnymi obszarami mózgu. Wszystko to może doprowadzić do powstania niezwykle imponującej generacji neuroprotez.