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 искусственными нейронными цепями.

Новый метод основан на преобразовании искусственных электрических сигналов в визуальный узор. Затем этот узор используется с помощью оптогенетической стимуляции, чтобы синхронизировать биологические нейроны.

Статья под названием «К нейропротезной реальной коммуникации от искусственных к биологическим нейронным сетям через оптогенетическую стимуляцию» была опубликована в Научных отчетах.

Технология нейропротезов

Международная команда под руководством исследователя Икербаске Паоло Бонифаци из Института здоровья Биокрус в Бильбао, Испания, поставила цель создать технологию нейропротезов. Ему помогал Тимоте Леви из Института промышленной науки Университета Токио.

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

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

По словам Леви, «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 всплеска нейронной сети в шахматный узор из синих и черных квадратов. Этот узор затем проецировался светом на 0,8 х 0,8 мм квадрат биологической нейронной сети, которая росла в чашке. Когда это произошло, только нейроны, пораженные светом из 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 Леви, «было понимание того, что ритмы искусственных нейронов должны совпадать с ритмами реальных нейронов. Как только мы смогли сделать это, биологическая сеть смогла ответить на «мелодии», отправленные искусственной сетью. Предварительные результаты, полученные во время европейского проекта 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 Леви. «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 коммуникацию между разными областями мозга. Все это может привести к чрезвычайно впечатляющему поколению нейропротезов.