นักวิจัยพัฒนาวิธีการให้เครือข่ายประสาทเทียมสื่อสารกับเครือข่ายประสาทชีวภาพ

กลุ่มนักวิจัยได้พัฒนาวิธีการให้เครือข่ายประสาทเทียมสื่อสารกับเครือข่ายประสาทชีวภาพได้ การพัฒนใหม่นี้เป็นก้าวสำคัญสำหรับอุปกรณ์ประสาทเทียม ซึ่งแทนที่เซลล์ประสาทที่เสียหายด้วยวงจรประสาทเทียม

วิธีการใหม่นี้ขึ้นอยู่กับการแปลงสัญญาณไฟฟ้าจากเครือข่ายประสาทเทียมเป็นรูปแบบภาพที่ใช้ในการกระตุ้นเซลล์ประสาทชีวภาพผ่านการกระตุ้นด้วยแสง

บทความที่มีชื่อว่าToward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulationได้รับการตีพิมพ์ในScientific Reports

เทคโนโลยีประสาทเทียม

ทีมวิจัยระหว่างประเทศที่นำโดย Paolo Bonifazi จาก Biocruces Health Research Institute ใน Bilbao, Spain ได้ร่วมมือกับ Timothée Levi จาก Institute of Industrial Science, The University of Tokyo เพื่อพัฒนเทคโนโลยีประสาทเทียม

หนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเกี่ยวกับเทคโนโลยีนี้คือ เซลล์ประสาทในสมองมีความแม่นยำสูงในการสื่อสาร เมื่อพูดถึงเครือข่ายประสาทเทียม สัญญาณไฟฟ้าไม่สามารถมุ่งเป้าไปที่เซลล์ประสาทที่เฉพาะเจาะจงได้

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมวิจัยได้แปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นแสง

ตามที่ Levi กล่าวว่า “ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการกระตุ้นด้วยแสงทำให้เราสามารถมุ่งเป้าไปที่เซลล์ประสาทในพื้นที่เล็กๆ ของเครือข่ายประสาทชีวภาพของเราได้อย่างแม่นยำ”

การกระตุ้นด้วยแสง

การกระตุ้นด้วยแสง เป็นเทคโนโลยีที่ขึ้นอยู่กับโปรตีนที่ไวต่อแสงซึ่งพบใน藻และ动物อื่นๆ เมื่อโปรตีนที่ไวต่อแสงนี้ถูกใส่เข้าไปในเซลล์ประสาท แสงสามารถถูกส่องลงไปที่เซลล์ประสาทเพื่อทำให้เซลล์ประสาทนั้นเป็นไปได้หรือไม่สามารถทำงานได้ขึ้นอยู่กับประเภทของโปรตีน

นักวิจัยได้ใช้โปรตีนที่ถูกกระตุ้นโดยแสงสีฟ้าในโครงการนี้ ขั้นตอนแรกคือการแปลงสัญญาณไฟฟ้าจากเครือข่ายประสาทเทียมเป็นรูปแบบตารางที่ประกอบด้วยสี่เหลี่ยมสีฟ้าและดำ รูปแบบนี้ถูกส่องลงไปที่พื้นที่ 0.8 x 0.8 มม. ของเครือข่ายประสาทชีวภาพที่กำลังเติบโตในจาน เมื่อนี้เกิดขึ้น เซลล์ประสาทที่ถูกแสงจากสี่เหลี่ยมสีฟ้าจะถูกกระตุ้น

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

กิจกรรมที่เกิดร่วมกันจะเกิดขึ้นในเซลล์ประสาทที่เลี้ยงในห้องปฏิบัติการทุกครั้งที่มีกิจกรรมที่เกิดขึ้นเอง ซึ่งจะทำให้เกิดจังหวะที่ขึ้นอยู่กับวิธีการเชื่อมต่อของเซลล์ประสาท ประเภทของเซลล์ประสาท และวิธีการปรับตัวและเปลี่ยนแปลง

“กุญแจสู่ความสำเร็จของเรา” Levi กล่าวว่า “คือการทำความเข้าใจว่าจังหวะของเซลล์ประสาทเทียมต้องตรงกับจังหวะของเซลล์ประสาทจริงๆ เมื่อเราสามารถทำได้ เครือข่ายชีวภาพสามารถตอบสนองต่อ ‘ทำนอง’ ที่ส่งมาจากเครือข่ายเทียมได้ ผลลัพธ์เบื้องต้นจากโครงการ Brainbow ของยุโรปช่วยให้เราออกแบบเซลล์ประสาทเทียมที่เลียนแบบชีวภาพได้”

นักวิจัยพบว่าการจับคู่ที่ดีที่สุดหลังจากที่เครือข่ายประสาทเทียมถูกตั้งค่าให้ตรงกับจังหวะที่แตกต่างกัน และพวกเขาสามารถระบุการเปลี่ยนแปลงในจังหวะทั่วไปของเครือข่ายชีวภาพได้

“การรวมการกระตุ้นด้วยแสงเข้าไปในระบบเป็นก้าวหน้าในการนำไปใช้จริง” Levi กล่าวว่า “จะทำให้อุปกรณ์เลียนแบบชีวภาพในอนาคตสามารถสื่อสารกับเซลล์ประสาทที่เฉพาะเจาะจงหรือในวงจรประสาทที่เฉพาะเจาะจงได้”

อุปกรณ์ประสาทเทียมที่พัฒนาขึ้นในอนาคตอาจสามารถแทนที่วงจรประสาทที่เสียหายได้ และสามารถฟื้นฟูการสื่อสารระหว่างส่วนต่างๆ ของสมองได้ ทั้งหมดนี้อาจนำไปสู่การสร้างอุปกรณ์ประสาทเทียมที่น่าประทับใจมาก