Pesquisadores Desenvolvem Método para Redes Neurais Artificiais Comunicarem-se com Redes Neurais Biológicas

Um grupo de pesquisadores desenvolveu uma forma de redes neurais artificiais comunicarem-se com redes neurais biológicas. O novo desenvolvimento é um grande passo adiante para dispositivos neuropróteses, que substituem neurônios danificados por circuitos neurais artificiais.

O novo método depende da conversão de sinais elétricos de spiking artificiais em um padrão visual. Em seguida, é usado, por meio de estimulação optogenética, para sincronizar os neurônios biológicos.

O artigo intitulado “Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation” foi publicado em Scientific Reports.

Tecnologia Neuroprótese

Uma equipe internacional liderada pelo pesquisador Ikerbasque Paolo Bonifazi, do Instituto de Pesquisa em Saúde Biocruces, em Bilbao, Espanha, se propôs a criar tecnologia neuroprótese. Ele foi acompanhado por Timothée Levi, do Instituto de Ciência Industrial, da Universidade de Tóquio.

Um dos maiores desafios que cercam essa tecnologia é que os neurônios no cérebro são extremamente precisos ao se comunicar. Quando se trata de redes neurais elétricas, a saída elétrica não é capaz de atingir neurônios específicos.

Para contornar isso, a equipe de pesquisadores converteu os sinais elétricos em luz.

De acordo com Levi, “os avanços na tecnologia optogenética nos permitiram atingir com precisão neurônios em uma área muito pequena de nossa rede neuronal biológica.”

Optogenética

A optogenética é uma tecnologia que depende de proteínas sensíveis à luz encontradas em algas e outros animais. Quando essas proteínas são inseridas em neurônios, a luz pode ser aplicada a um neurônio para ativá-lo ou desativá-lo, dependendo do tipo de proteína.

Os pesquisadores usaram proteínas específicas que eram ativadas por luz azul no projeto. O primeiro passo foi converter a saída elétrica da rede neuronal de spiking em um padrão xadrez composto por quadrados azuis e pretos. Esse padrão foi então projetado por luz em uma área de 0,8 por 0,8 mm da rede neural biológica, que estava crescendo em uma placa de cultura. Quando isso aconteceu, apenas os neurônios atingidos pela luz vinda dos quadrados azuis foram ativados.

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A atividade síncrona é produzida em neurônios cultivados sempre que há atividade espontânea. Isso resulta em um tipo de ritmo baseado na forma como os neurônios estão conectados, os diferentes tipos de neurônios e como eles se adaptam e mudam.

“A chave do nosso sucesso”, diz Levi, “foi entender que os ritmos dos neurônios artificiais tinham que corresponder aos dos neurônios reais. Uma vez que fomos capazes de fazer isso, a rede biológica foi capaz de responder às ‘melodias’ enviadas pela rede artificial. Os resultados preliminares obtidos durante o projeto European Brainbow nos ajudaram a projetar esses neurônios artificiais biomiméticos.”

Os pesquisadores eventualmente encontraram a melhor correspondência após a rede neural artificial ser ajustada para diferentes ritmos, e eles foram capazes de identificar mudanças nos ritmos globais da rede biológica.

“Incorporar a optogenética no sistema é um avanço em direção à praticidade”, diz Levi. “Isso permitirá que dispositivos biomiméticos futuros se comuniquem com tipos específicos de neurônios ou dentro de circuitos neurais específicos.”

Os dispositivos próteses futuros que são desenvolvidos com o sistema podem substituir circuitos cerebrais danificados. Eles também podem restaurar a comunicação entre diferentes regiões do cérebro. Tudo isso pode levar a uma geração extremamente impressionante de neuropróteses.