Cercetătorii Dezvoltă o Metodă pentru Rețele Neuronale Artificiale să Comunice cu Cele Biologice

Un grup de cercetători a dezvoltat o metodă pentru ca rețelele neuronale artificiale să comunice cu rețelele neuronale biologice. Noua dezvoltare reprezintă un pas important înainte pentru dispozitivele neuroprotezice, care înlocuiesc neuroni deteriorați cu circuite neuronale artificiale. 

Noua metodă se bazează pe conversia semnalelor electrice artificiale într-un model vizual. Acest model este apoi utilizat, prin stimulare optogenetică, pentru a sincroniza neuronii biologici. 

Articolul intitulat “Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation” a fost publicat în Scientific Reports.

Tehnologia Neuroprotezică

O echipă internațională condusă de cercetătorul Ikerbasque Paolo Bonifazi de la Institutul de Cercetare Biocruces din Bilbao, Spania, a încercat să creeze tehnologie neuroprotezică. El a fost alăturat de Timothée Levi de la Institutul de Știință Industrială, Universitatea din Tokyo.

Una dintre cele mai mari provocări legate de această tehnologie este că neuronii din creier sunt extrem de preciși atunci când comunică. Când vine vorba de rețelele neuronale electrice, ieșirea electrică nu este capabilă să vizeze neuroni specifici. 

Pentru a ocoli această problemă, echipa de cercetători a transformat semnalele electrice în lumină. 

Conform lui Levi, “progresele în tehnologia optogenetică ne-au permis să vizăm precis neuroni într-o zonă foarte mică a rețelei noastre neuronale biologice.”

Optogenetica

Optogenetica este o tehnologie care se bazează pe proteinele sensibile la lumină găsite în alge și alte animale. Când aceste proteine sunt inserate în neuroni, lumina poate fi direcționată către un neuron pentru a-l activa sau inactiva, în funcție de tipul de proteină. 

Cercetătorii au utilizat proteine specifice care erau activate de lumina albastră în proiect. Primul pas a fost să convertească ieșirea electrică a rețelei neuronale cu impulsuri într-un model de table cu pătrate albastre și negre. Acest model a fost apoi proiectat prin lumină pe o suprafață de 0,8 x 0,8 mm a rețelei neuronale biologice, care creștea într-o placă de cultură. Când s-a întâmplat acest lucru, doar neuronii loviți de lumina provenită de la pătratele albastre au fost activați. 

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

Activitatea sincronă este produsă în neuroni cultivați atunci când există activitate spontană. Acest lucru rezultă într-un tip de ritm care se bazează pe modul în care neuronii sunt conectați, tipurile de neuroni și modul în care se adaptează și se schimbă. 

“Cheia succesului nostru,” spune Levi, “a fost înțelegerea că ritmurile neuronilor artificiali trebuiau să se potrivească cu cele ale neuronilor reali. Odată ce am reușit să facem acest lucru, rețeaua biologică a putut răspunde la “melodiile” trimise de cea artificială. Rezultatele preliminare obținute în cadrul proiectului European Brainbow ne-au ajutat să proiectăm acești neuroni artificiali biomimetici.”

Cercetătorii au găsit în cele din urmă cea mai bună potrivire după ce rețeaua neuronală artificială a fost reglată la diferite ritmuri și au putut identifica modificări în ritmurile globale ale rețelei biologice.

“Incorporarea optogeneticii în sistem reprezintă un pas înainte spre practicabilitate,” spune Levi. “Va permite dispozitivelor biomimetice viitoare să comunice cu tipuri specifice de neuroni sau în circuite neuronale specifice.”

Dispozitivele protezice viitoare dezvoltate cu acest sistem ar putea înlocui circuitele cerebrale deteriorate. Ar putea, de asemenea, restaura comunicarea între diferite regiuni ale creierului. Toate acestea ar putea duce la o generație extrem de impresionantă de neuroproteză.