Forskare utvecklar metod för artificiella neuronnätverk att kommunicera med biologiska

En grupp forskare har utvecklat en metod för att artificiella neuronnätverk ska kunna kommunicera med biologiska neuronnätverk. Den nya utvecklingen är ett stort steg framåt för neuroprostetiska enheter, som ersätter skadade neuroner med artificiella neuronnätverk.

Den nya metoden bygger på omvandlingen av artificiella elektriska signaler till en visuell mönster. Detta används sedan, via optogenetisk stimulering, för att styra de biologiska neuronerna.

Artikeln med titeln ”Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation” publicerades i Scientific Reports.

Neuroprostetisk teknik

Ett internationellt team lett av Ikerbasque-forskaren Paolo Bonifazi från Biocruces Health Research Institute i Bilbao, Spanien, satte upp målet att skapa neuroprostetisk teknik. Han fick sällskap av Timothée Levi från Institute of Industrial Science, The University of Tokyo.

En av de största utmaningarna med denna teknik är att neuron i hjärnan är extremt precisa när de kommunicerar. När det gäller elektriska neuronnätverk är det elektriska utmatningen inte kapabelt att rikta sig till specifika neuroner.

För att komma runt detta omvandlade forskarteamet de elektriska signalerna till ljus.

Enligt Levi, ”tillåter framstegen inom optogenetisk teknik oss att exakt rikta oss till neuroner i ett mycket litet område av vårt biologiska neuronnätverk.”

Optogenetik

Optogenetik är en teknik som bygger på de ljuskänsliga proteinerna som finns i alger och andra djur. När dessa proteiner införs i neuroner kan ljus skickas till en neuron för att göra den aktiv eller inaktiv, beroende på typen av protein.

Forskarna använde specifika proteiner som aktiverades av blått ljus i projektet. Det första steget var att omvandla den elektriska utmatningen från det spikande neuronnätverket till ett schackmönster bestående av blå och svarta rutor. Detta mönster projicerades sedan med ljus ner på en 0,8 x 0,8 mm stor kvadrat av det biologiska neuronnätverket, som växte i en skål. När detta hände aktiverades endast de neuroner som träffades av ljuset från de blå rutorna.

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

Samtidig aktivitet produceras i odlade neuroner när det finns spontan aktivitet. Detta resulterar i en typ av rytm som baseras på hur neuronerna är anslutna till varandra, de olika typerna av neuroner och hur de anpassar sig och förändras.

“Nyckeln till vår framgång”, säger Levi, “var att förstå att rytmerna hos de artificiella neuronerna måste matcha de hos de riktiga neuronerna. När vi kunde göra detta kunde det biologiska nätverket svara på “melodierna” som skickades av det artificiella. Preliminära resultat från det europeiska Brainbow-projektet hjälpte oss att utforma dessa biomimetiska artificiella neuroner.”

Forskarna hittade till slut den bästa matchen efter att det artificiella neuronnätverket hade justerats till olika rytm och de kunde identifiera förändringar i de globala rytmerna i det biologiska nätverket.

“Att införa optogenetik i systemet är ett steg mot praktiskhet”, säger Levi. “Det kommer att tillåta framtida biomimetiska enheter att kommunicera med specifika typer av neuroner eller inom specifika neuronnätverk.”

De framtida protesenheter som utvecklas med systemet kan ersätta skadade hjärncirklar. De kan också återställa kommunikationen mellan olika områden i hjärnan. Allt detta kan leda till en extremt imponerande generation av neuroproteser.