Исследователи разработали метод для искусственных нейронных сетей, чтобы общаться с биологическими

Группа исследователей разработала способ для искусственных нейронных сетей общаться с биологическими нейронными сетями. Это новое развитие является большим шагом вперед для нейропротезных устройств, которые заменяют поврежденные нейроны на искусственные нейронные цепи.

Новый метод основан на преобразовании искусственных электрических сигналов в визуальный узор. Затем он используется с помощью оптогенетической стимуляции для синхронизации биологических нейронов.

Статья под названием “Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation” была опубликована в Scientific Reports.

Нейропротезная технология

Международная команда под руководством исследователя Ikerbasque Paolo Bonifazi из Института здоровья Biocruces в Бильбао, Испания, поставила цель создать нейропротезную технологию. Ему помогал Timothée Levi из Института промышленной науки Университета Токио.

Одной из самых больших проблем, связанных с этой технологией, является то, что нейроны в мозге чрезвычайно точны при общении. Когда речь идет об электрических нейронных сетях, электрический выход не может нацеливаться на конкретные нейроны.

Чтобы обойти эту проблему, команда исследователей преобразовала электрические сигналы в свет.

По словам Levi, “прогресс в оптогенетической технологии позволил нам точно нацеливаться на нейроны в очень небольшой области нашей биологической нейронной сети.”

Оптогенетика

Оптогенетика – это технология, которая основана на светочувствительных белках, найденных в водорослях и других животных. Когда эти белки вводятся в нейроны, свет можно направить на нейрон, чтобы сделать его активным или неактивным, в зависимости от типа белка.

Исследователи использовали конкретные белки, которые активировались синим светом в проекте. Первым шагом было преобразование электрического выхода спайкинговой нейронной сети в шахматный узор, состоящий из синих и черных квадратов. Этот узор затем проецировался светом на квадрат 0,8 х 0,8 мм биологической нейронной сети, которая росла в чашке. Когда это произошло, только нейроны, пораженные светом от синих квадратов, были активированы.

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

Синхронная активность производится в культурных нейронах всякий раз, когда есть спонтанная активность. Это приводит к типу ритма, основанного на том, как нейроны соединены вместе, разных типов нейронов и как они адаптируются и меняются.

“Ключ к нашему успеху”, говорит Levi, “был понимание того, что ритмы искусственных нейронов должны совпадать с ритмами реальных нейронов. Как только мы смогли сделать это, биологическая сеть смогла реагировать на “мелодии”, отправленные искусственной сетью. Предварительные результаты, полученные в рамках проекта European Brainbow, помогли нам разработать эти биомиметические искусственные нейроны.”

Исследователи в конечном итоге нашли лучшее совпадение после того, как искусственная нейронная сеть была настроена на разные ритмы, и они смогли выявить изменения в глобальных ритмах биологической сети.

“Включение оптогенетики в систему является шагом к практичности”, говорит Levi. “Это позволит будущим биомиметическим устройствам общаться с конкретными типами нейронов или внутри конкретных нейронных цепей.”

Будущие протезные устройства, разработанные с помощью этой системы, смогут заменить поврежденные мозговые цепи. Они также смогут восстановить общение между разными областями мозга. Все это может привести к чрезвычайно впечатляющему поколению нейропротезов.