Дослідники розробили метод для штучних нейронних мереж спілкування з біологічними

Група дослідників розробила спосіб для штучних нейронних мереж спілкування з біологічними нейронними мережами. Ця нова розробка є великим кроком вперед для нейропротезних пристроїв, які замінюють пошкоджені нейрони штучними нейронними контурами. 

Новий метод ґрунтується на перетворенні штучних електричних сигналів спайків у візуальний малюнок. Потім його використовують за допомогою оптогенетичної стимуляції для синхронізації біологічних нейронів. 

Стаття під назвою “Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation” була опублікована в Scientific Reports.

Нейропротезна технологія

Міжнародна команда на чолі з дослідником Ikerbasque Paolo Bonifazi з Biocruces Health Research Institute в Більбао, Іспанія, поставила за мету створити нейропротезну технологію. До неї приєднався Timothée Levi з Institute of Industrial Science, Університет Токіо.

Однією з найбільших проблем, пов’язаних з цією технологією, є те, що нейрони в мозку дуже точні при спілкуванні. Коли мова йде про електричні нейронні мережі, електричний вихід не здатний націлюватися на конкретні нейрони. 

Щоб обійти цю проблему, команда дослідників перетворила електричні сигнали на світло. 

Згідно з Levi, “прогрес в оптогенетичній технології дозволив нам точно націлюватися на нейрони в дуже малій області нашої біологічної нейронної мережі.”

Оптогенетика

Оптогенетика – це технологія, яка ґрунтується на світлочутливих білках, що знаходяться в водоростях та інших тваринах. Коли ці білки вбудовуються в нейрони, світло можна направляти на нейрон, щоб зробити його активним або неактивним, залежно від типу білка. 

Дослідники використовували конкретні білки, які активувалися синім світлом у проекті. Перший крок полягав у перетворенні електричного виходу спайкової нейронної мережі у шаховий малюнок, складений з синіх і чорних квадратів. Цей малюнок потім проєктувався світлом вниз на квадрат 0,8 х 0,8 мм біологічної нейронної мережі, яка росла в чашці. Коли це відбулося, активувалися лише ті нейрони, які були вражені світлом з синіх квадратів. 

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

Синхронна активність виникає у культивованих нейронах щоразу, коли відбувається спонтанна активність. Це призводить до певного ритму, заснованого на тому, як нейрони з’єднані між собою, різних типах нейронів та тому, як вони адаптуються та змінюються. 

“Ключ до нашого успіху,” каже Levi, “полягав у тому, що ритми штучних нейронів мали відповідати ритмам реальних нейронів. Як тільки ми змогли зробити це, біологічна мережа змогла відповісти на “мелодії”, надіслані штучною мережею. Перші результати, отримані під час проекту European Brainbow, допомогли нам розробити ці біоміметичні штучні нейрони.”

Дослідники врешті-решт знайшли найкращу відповідність після того, як штучна нейронна мережа була налаштована на різні ритми, і їм вдалося ідентифікувати зміни в глобальних ритмах біологічної мережі.

“Включення оптогенетики в систему є кроком до практичності,” каже Levi. “Це дозволить майбутнім біоміметичним пристроям спілкуватися з конкретними типами нейронів або в межах конкретних нейронних контурів.”

Майбутні протезні пристрої, розроблені з цією системою, можуть замінити пошкоджені мозкові контури. Вони також можуть відновити спілкування між різними областями мозку. Все це може привести до дуже вражаючого покоління нейропротезів.