Dodano: 11 grudzień 2019r.

Pierwsze na świecie sztuczne neurony, które zachowują się jak te prawdziwe

Brytyjscy naukowcy opracowali sztuczne neurony, które zachowują się tak, jak te prawdziwe. Dzięki minimalnemu zapotrzebowaniu na energię nadają się do zastosowania w implantach medycznych i innych urządzeniach bioelektronicznych. Mogą zastąpić neurony utracone w wyniku choroby Alzheimera czy pomóc sparaliżowanym po urazie rdzenia kręgowego.

Pierwsze na świecie sztuczne neurony, które zachowują się jak te prawdziwe

 

Bioniczne neurony zostały opracowane przez naukowców z University of Bath, którzy przy badaniach współpracowali z kolegami z Bristolu, Zurychu i Auckland. Sztuczne neurony mogłyby zastąpić komórki utracone w chorobie Alzheimera czy innych chorobach neurodegeneracyjnych. Mogłyby także pomóc po urazach mózgu lub uszkodzeniach rdzenia kręgowego.

Naukowcy od dziesięcioleci próbują stworzyć sztuczne neurony. Jednak nie jest to łatwe zadanie. Neurony to wyspecjalizowane komórki, które przekazują informację w postaci sygnału elektrycznego, umożliwiając komunikację części ciała. Są podstawowymi komórkami w mózgu, rdzeniu kręgowym i ośrodkowym układzie nerwowym. Ale są również obecne w innych rejonach ciała, np. wokół serca.

Sztuczne neurony kompatybilne z układem nerwowym

To nie pierwsza próba stworzenia sztucznego odpowiednika neuronów, ale – jak stwierdził profesor Alain Nogaret z Wydziału Fizyki University of Bath, który kierował projektem, nowością w tych badaniach było przeniesienie właściwości elektrycznych komórek nerwowych na syntetyczne obwody wykonane z krzemu. Opis prac naukowców ukazał się na łamach pisma „Nature Communications”.

Sztuczne neurony oparte na chipach krzemowych, które zachowują się tak, jak te prawdziwe, to pierwsze tego rodzaju osiągnięcie z ogromnym potencjałem do zastosowań dla urządzeń medycznych używanych w leczeniu chorób przewlekłych, takich jak niewydolność serca, choroba Alzheimera i inne choroby neurodegeneracyjne. Dodatkowo, wynalazek potrzebuje tylko 140 nanowatów do działania. To około jedna miliardowa mocy potrzebnej do działania zwykłych mikroprocesorów, dzięki czemu idealnie nadają się do zastosowania w implantach medycznych i innych urządzeniach bioelektronicznych.

Projektowanie sztucznych neuronów, które reagują na sygnały elektryczne z układu nerwowego, tak jak prawdziwe neurony, otwiera możliwość leczenia chorób, w których neurony nie działają prawidłowo, zostały odcięte, jak w przypadku urazów rdzenia kręgowego lub obumarły. Sztuczne neurony mogłyby naprawiać niedziałające bio-obwody, replikując ich funkcje i odpowiednio reagując na biologiczne sprzężenie zwrotne w celu przywrócenia funkcji organizmu.

Na przykład w niewydolności serca, neurony zlokalizowane w podstawie mózgu nie reagują prawidłowo w odpowiedzi na sygnały z układu nerwowego i nie wysyłają odpowiednich sygnałów do serca, które nie pracuje tak, jak powinno.

Krzemowe układy jak prawdziwe neurony

Jednak opracowanie sztucznych neuronów było ogromnym wyzwaniem. Naukowcom udało się modelować sposób, w jaki neurony reagują na bodźce elektryczne płynące od innych neuronów. Jest to niezwykle skomplikowane, ponieważ odpowiedzi są „nieliniowe”. Innymi słowy, jeśli sygnał staje się dwa razy silniejszy, niekoniecznie musi wywoływać dwukrotnie większą reakcję - może być to coś innego.

Uczeni następnie zaprojektowali chipy krzemowe, które dokładnie modelują biologiczne kanały jonowe. W ten sposób odtworzyli pełną dynamikę neuronów hipokampa, obszaru mózgu, który odgrywa ważną rolę w procesie zapamiętywania oraz neuronów zaangażowanych w kontrolę procesu oddychania.

- Do tej pory neurony były jak czarne skrzynki, ale udało nam się otworzyć taką skrzynkę i zajrzeć do środka. Nasza praca zmienia paradygmat, ponieważ zapewnia solidną metodę reprodukcji właściwości elektrycznych prawdziwych neuronów w najdrobniejszych szczegółach. Ale jest coś więcej. Nasze neurony potrzebują tylko 140 nanowatów mocy. To miliardowe zapotrzebowanie na moc mikroprocesorów, z których korzystano w poprzednich próbach stworzenia syntetycznych neuronów. To sprawia, że nasze neurony dobrze nadają się do stosowania w implantach bioelektronicznych – powiedział Nogaret.

- Można by opracować inteligentne rozruszniki serca, które nie tylko stymulują serce do pompowania w stałym tempie, ale wykorzystują też neurony do reagowania w czasie rzeczywistym na wymagania stawiane sercu, co dzieje się naturalnie w zdrowym sercu. Inne zastosowania mogą znaleźć w leczeniu schorzeń takich jak choroba Alzheimera i inne choroby zwyrodnieniowe neuronów – przyznał Nogaret.

Kierujący badaniami dodał, że ich praca pozwala dokładnie oszacować parametry, które kontrolują zachowanie neuronów. - Stworzyliśmy modele fizyczne i zademonstrowaliśmy zdolność do skutecznego naśladowania zachowania prawdziwych żywych neuronów. Nasz trzeci przełom to wszechstronność naszego modelu, która pozwala na łączenie różnych typów i funkcji szeregu złożonych neuronów u ssaków – podkreślił Nogaret.

- Replikacja odpowiedzi neuronów oddechowych w bioelektronice, którą można zminiaturyzować i wszczepić, jest bardzo ekscytująca i otwiera ogromne możliwości dla inteligentnych urządzeń medycznych w szeregu chorób i niepełnosprawności – powiedział profesor Julian Paton z University of Auckland i University of Bristol, współautor publikacji.

 

Źródło i fot.: University of Bath