研究人员开发出人工神经网络与生物神经网络通信的方法

一组研究人员开发出了一种方法，使人工神经网络能够与生物神经网络进行通信。这一新发展是神经假肢设备领域的一个重大进步，这些设备使用人工神经回路替换受损的神经元。

这种新方法依赖于将人工电脉冲信号转换为视觉模式，然后通过光遗传刺激来使生物神经元同步。

题为“从计算机模拟到生物神经网络的实时通信：通过图案化光遗传刺激”的文章发表在科学报告上。

神经假肢技术

由伊克尔巴斯克研究员保罗·博尼法齐（Paolo Bonifazi）领导的国际团队，从西班牙比利巴奥的生物健康研究院（Biocruces Health Research Institute）出发，旨在创建神经假肢技术。他得到了东京大学工业科学研究所（Institute of Industrial Science, The University of Tokyo）的蒂莫西·勒维（Timothée Levi）的加入。

围绕这一技术的最大挑战之一是，大脑中的神经元在通信时非常精确。然而，电神经网络的电输出不能针对特定的神经元。

为了解决这个问题，研究团队将电信号转换为光信号。

根据勒维的说法，“光遗传技术的进步使我们能够精确地针对生物神经网络中非常小的区域内的神经元。”

光遗传学

光遗传学是一种依赖于藻类和其他动物中发现的光敏蛋白的技术。当这些蛋白质被插入到神经元中时，光可以被照射到神经元上，使其变得活跃或不活跃，具体取决于蛋白质的类型。

研究人员在项目中使用了特定的蛋白质，这些蛋白质被蓝光激活。第一步是将脉冲神经网络的电输出转换为由蓝色和黑色方块组成的格子图案。然后，这个图案通过光被投射到生物神经网络的0.8毫米×0.8毫米的区域上，这个网络正在培养皿中生长。当这种情况发生时，只有被来自蓝色方块的光照射到的神经元被激活。

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在培养的神经元中，会产生同步活动，这种活动是由于神经元之间的连接、不同类型的神经元以及它们的适应和变化而产生的节律。

“我们成功的关键，”勒维说，“是理解人工神经元的节律必须与真实神经元的节律相匹配。一旦我们能够做到这一点，生物网络就能够响应人工网络发送的‘旋律’。在欧洲Brainbow项目中获得的初步结果帮助我们设计了这些生物模拟的人工神经元。”

研究人员最终在人工神经网络被调谐到不同的节律后找到了最佳匹配，并能够识别生物网络的全球节律的变化。

“将光遗传学融入系统中是朝着实用性的一个进步，”勒维说。“这将使未来的生物模拟设备能够与特定类型的神经元或特定的神经回路进行通信。”

使用该系统开发的未来假肢设备可能会替换受损的大脑回路。它们还可以恢复大脑不同区域之间的通信。所有这些都可能导致神经假肢设备的发展进入一个非常令人印象深刻的时代。