Τεχνητοί νευρώνες επικοινωνούν με πραγματικούς εγκεφαλικούς νευρώνες με τη χρήση φωτός

Η «νευροπροσθήκη» είναι μια τεχνητή συσκευή που αντικαθιστά ένα τραυματισμένο μέρος του σώματος ή ένα μέρος που λείπει από το σώμα. Για να κατανοήσετε καλύτερα τι είναι η προσθήκη, φανταστείτε τα γυαλιά και τους φακούς επαφής που αντικαθιστούν τους φυσικούς φακούς των ματιών. Τώρα προσπαθήστε να φανταστείτε μια προσθήκη που αντικαθιστά μέρος ενός κατεστραμμένου εγκεφάλου. Εύλογα θα αναρωτιέστε πώς θα μπορούσε να μοιάζει αυτή η τεχνητή εγκεφαλική ύλη (νευροπροσθήκη) και πώς θα λειτουργούσε.

Πώς θα λειτουργούσε μια τεχνητή εγκεφαλική ύλη;

Η δημιουργία μιας νευροπροσθετικής τεχνολογίας είναι ο στόχος μιας διεθνούς ομάδας με επικεφαλής τον ερευνητή του Ikerbasque Paolo Bonifazi από το Ινστιτούτο Ερευνών Υγείας Biocruces (Μπιλμπάο, Ισπανία) και τον Timothée Levi από το Ινστιτούτο Βιομηχανικών Επιστημών σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο του Τόκιο και το εργαστήριο IMS του Πανεπιστήμιου του Μπορντό.

Μέχρι στιγμής έχουν αναπτυχθεί διάφοροι τύποι τεχνητών νευρώνων, αλλά κανένας δεν ήταν πραγματικά πρακτικός για τη δημιουργία αποτελεσματικών νευροπροσθηκών. Ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα είναι το γεγονός ότι οι νευρώνες του εγκεφάλου επικοινωνούν με ακρίβεια και τα ηλεκτρικά σήματα από το τυπικό ηλεκτρικό νευρικό δίκτυο, δεν ήταν σε θέση να στοχεύσουν συγκεκριμένους νευρώνες. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, η εν λόγω ομάδα, μετέτρεψε τα ηλεκτρικά σήματα σε φως. Όπως εξηγεί ο Levi, «η πρόοδος στην οπτογενετική τεχνολογία, μας επέτρεψε να στοχεύσουμε με ακρίβεια τους νευρώνες, σε μια πολύ μικρή περιοχή του βιολογικού νευρωνικού δικτύου».

Η οπτογενετική είναι μια τεχνολογία που εκμεταλλεύεται πολλές ευαίσθητες στο φως πρωτεΐνες, που βρίσκονται σε φύκια και σε άλλα ζώα. Η εισαγωγή αυτών των πρωτεϊνών στους νευρώνες, είναι ένα είδος «χακαρίσματος». Αυτές οι πρωτεΐνες, μόλις βρεθούν στους νευρώνες, το φως ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί τον νευρώνα, ανάλογα με τον τύπο της πρωτεΐνης. Σε αυτήν την περίπτωση, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν πρωτεΐνες που ενεργοποιούνται ειδικά με το μπλε φως. Στο πείραμά τους, μετέτρεψαν αρχικά το ηλεκτρικό σήμα του νευρωνικού δικτύου spiking σε καρό μοτίβο μπλε και μαύρων τετραγώνων. Στη συνέχεια, τοποθέτησαν αυτό το μοτίβο σε ένα τετράγωνο 0,8 επί 0,8 mm του βιολογικού νευρωνικού δικτύου. Μέσα σε αυτό το τετράγωνο, ενεργοποιήθηκαν άμεσα μόνο οι νευρώνες που χτυπήθηκαν από το φως που προερχόταν από τα μπλε τετράγωνα.

Δείτε το σχετικό Βίντεο ΕΔΩ

Η αυθόρμητη δραστηριότητα σε καλλιεργημένους νευρώνες, παράγει ένα είδος δραστηριότητας που ακολουθεί ένα συγκεκριμένο είδος ρυθμού. Αυτός ο ρυθμός καθορίζεται από τον τρόπο που συνδέονται οι νευρώνες, τους τύπους των νευρώνων και την ικανότητα τους να προσαρμόζονται και να αλλάζουν.

«Το κλειδί για την επιτυχία μας», λέει ο Levi, «ήταν η κατανόηση ότι οι ρυθμοί των τεχνητών νευρώνων έπρεπε να ταιριάζουν με αυτούς των πραγματικών νευρώνων. Μόλις καταφέραμε να το πετύχουμε αυτό, το βιολογικό- πραγματικό δίκτυο μπόρεσε να ανταποκριθεί στους «ρυθμούς» που στέλνονταν από το τεχνητό δίκτυο. Τα προκαταρκτικά αποτελέσματα που ελήφθησαν κατά τη διάρκεια του Brainbow, μας βοήθησαν να σχεδιάσουμε αυτούς τους βιομιμητικούς τεχνητούς νευρώνες».

«Το τεχνητό νευρωνικό δίκτυο, συντονίστηκε με τέτοιο τρόπο, ώστε να μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε αρκετούς διαφορετικούς ρυθμούς μέχρι να βρούμε τον καλύτερο» ανέφερε. Εξηγώντας ότι «ομάδες νευρώνων ανατέθηκαν σε συγκεκριμένα εικονοστοιχεία στο πλέγμα της εικόνας και στη συνέχεια η ρυθμική δραστηριότητα μπόρεσε να αλλάξει το οπτικό μοτίβο που έλαμπε στους καλλιεργημένους νευρώνες. Τα μοτίβα φωτός εμφανίστηκαν σε μια πολύ μικρή περιοχή των καλλιεργημένων νευρώνων και έτσι οι ερευνητές μπόρεσαν να επαληθεύσουν τις τοπικές αντιδράσεις, καθώς και τις αλλαγές στους γενικούς ρυθμούς του βιολογικού-πραγματικού δικτύου.

Σημαντικότητα μελέτης

«Η ενσωμάτωση της οπτογενετικής στο σύστημα των νευρώνων είναι μια πρόοδος», λέει ο Levi. «Θα επιτρέψει σε μελλοντικές βιομιμητικές συσκευές, να επικοινωνούν με συγκεκριμένους τύπους νευρώνων ή εντός συγκεκριμένων νευρωνικών κυκλωμάτων».

Η ομάδα εξέφρασε την αισιοδοξία της ότι οι μελλοντικές συσκευές που θα χρησιμοποιούν αυτό το σύστημα, θα είναι σε θέση να αντικαταστήσουν τα κατεστραμμένα εγκεφαλικά κυκλώματα και να αποκαταστήσουν την επικοινωνία μεταξύ περιοχών του εγκεφάλου. «Στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο, σε συνεργασία με τους Pr Kohno και Dr. Ikeuchi, επικεντρωνόμαστε στο σχεδιασμό βιο-υβριδικών νευρομορφικών συστημάτων, για τη δημιουργία μιας νέας γενιάς νευροπροσθηκών», κατέληξε ο Levi.