Дослідники розробили метод для штучних нейронних мереж спілкуватися з біологічними

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

Новий метод заснований на перетворенні штучних електричних сигналів у візуальний малюнок. Потім цей малюнок використовується за допомогою оптогенетичної стимуляції, щоб синхронізувати біологічні нейрони.

Стаття під назвою „До реального часу спілкування нейропротезних мереж від штучної до біологічної нейронної мережі через оптогенетичну стимуляцію” була опублікована в Наукових звітах.

Нейропротезна технологія

Міжнародна команда під керівництвом Ікербаскського дослідника Паоло Боніфазі з Інституту охорони здоров’я Біокрус в Більбао, Іспанія, розпочала створення нейропротезної технології. До неї приєднався Тімоте Леві з Інституту промислової науки, Університету 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.

За словами Леві, „прогрес в оптогенетичній технології дозволив нам точно націлюватися на нейрони в дуже малій області нашої біологічної нейронної мережі”.

Оптогенетика

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

Дослідники використали конкретні білки, які активаються синім світлом у проекті. Перший крок полягав у перетворенні електричного виходу спайкової нейронної мережі на шаховий малюнок, складений з синіх і чорних квадратів. Цей малюнок потім проєктувався світлом на площину 0,8 х 0,8 мм біологічної нейронної мережі, яка росла в чашці. Коли це відбувалося, тільки нейрони, які були вражені світлом з синіх квадратів, активації.

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

Синхронна активність виробляється в культурних нейронах, коли відбувається спонтанна активність. Це призводить до певного ритму, заснованого на тому, як нейрони пов’язані між собою, різних типах нейронів та їх адаптації та зміні.

„Ключ до нашого успіху”, каже Леві, „положений у тому, що ритми штучних нейронів мали відповідати ритмам справжніх нейронів. Як тільки ми змогли зробити це, біологічна мережа змогла відповісти на „мелодії”, надіслані штучною мережею. Попередні результати, отримані під час проекту Європейського мозкового проекту, допомогли нам розробити ці біоміметичні штучні нейрони”.

Дослідники в кінцевому підсумку 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 Леві. „Це дозволить майбутнім біоміметичним пристроям спілкуватися з конкретними типами нейронів або в межах конкретних нейронних контурів”.

Будучи розроблені з допомогою цієї системи, майбутні протезні пристрої зможуть замінити пошкоджені мозкові контури. Вони також зможуть відновити спілкування між різними областями мозку. Все це може привести до дуже вражаючого покоління нейропротезів.