Искусственные части мозга используют свет для связи с реальными нейронами
                Предоставлено: Институт промышленных наук Токийского университета.

Протез — это искусственное устройство, которое заменяет поврежденную или отсутствующую часть тела. Вы можете легко представить себе стереотипного пирата с деревянной ногой или знаменитой роботизированной рукой Люка Скайуокера. Менее драматично думать о протезах старой школы, таких как очки и контактные линзы, которые заменяют естественные линзы в наших глазах. Теперь попробуйте представить протез, который заменяет часть поврежденного мозга. На что может быть похож искусственный мозг? Как это вообще сработает?
                                                                                       

Создание нейропротезной технологии является целью международной команды под руководством исследователя Икербака Паоло Бонифази из Института исследований в области здравоохранения Biocruces (Бильбао, Испания) и Тимоте Леви из Института промышленных наук Токийского университета и лаборатории IMS, Университет Бордо. Хотя было разработано несколько типов искусственных нейронов, ни один из них не был по-настоящему практичным для нейропротезов. Одна из самых больших проблем заключается в том, что нейроны в мозге связываются очень точно, но электрический выход из типичной электрической нейронной сети не способен нацеливаться на конкретные нейроны. Чтобы преодолеть эту проблему, команда преобразовала электрические сигналы в свет. Как объясняет Леви, «достижения в области оптогенетических технологий позволили нам точно нацелить нейроны в очень маленькой области нашей биологической нейронной сети».

Оптогенетика — это технология, которая использует преимущества нескольких чувствительных к свету белков, обнаруженных у водорослей и других животных. Вставка этих белков в нейроны является своего рода хаком; как только они появятся, свет от нейрона сделает его активным или неактивным, в зависимости от типа белка. В этом случае исследователи использовали белки, которые были активированы специально синим светом. В своем эксперименте они сначала преобразовали электрический выход шипящей нейронной сети в клетчатый узор из синих и черных квадратов. Затем они осветили эту схему на квадрат 0,8 на 0,8 мм биологической нейрональной сети, растущей в чашке. Внутри этого квадрата непосредственно активировались только нейроны, пораженные светом синих квадратов.

Культуры нейронов на МЭА стимулируются с помощью оптогенетической техники. Световые схемы стимуляции определяются активностью искусственной нейронной сети в реальном времени. Образы стимуляции образца создаются путем преобразования активности искусственной нейронной сети 64 в матричное изображение 8×8. Каждый квадрат представляет собой один искусственный нейрон. Когда квадрат белый, это означает активность спайка, когда он черный, это означает отсутствие активности. Как только VGA-изображение доставляется на видеопроектор, дополнительный одновременный сигнал TTL от цифровой аппаратной платы активирует генератор сигналов, который управляет модуляцией мощности источника синего света видеопроектора. Изображение, сгенерированное видеопроектором, уменьшается (примерно в четырнадцать раз) с помощью адаптированного эпифлуоресцентного микроскопа, направленного вверх и вправо, и фокусируется на культуре нейронов, расположенной в фокальной плоскости микроскопа. Живые нейроны, находящиеся примерно в четырех неделях в культуре и ранее преобразованные с помощью быстрого ChIEF варианта Channelrhodopsin2, реагируют на стимуляцию синим светом с помощью вызванного нейрона, контролируемого как с помощью визуализации красного кальция, так и с помощью многоэлектродной записи. Отметим, что освещение выделяет металлическую полоску электроды. Предоставлено: Институт промышленных наук Токийского университета.

Спонтанная активность в культивируемых нейронах вызывает синхронную активность, которая следует определенному ритму. Этот ритм определяется тем, как нейроны связаны друг с другом, типами нейронов и их способностью адаптироваться и изменяться.

«Ключом к нашему успеху, — говорит Леви, — было понимание того, что ритмы искусственных нейронов должны соответствовать ритмам реальных нейронов. Как только мы смогли это сделать, биологическая сеть смогла ответить на «Мелодии», отправленные искусственной. Предварительные результаты, полученные в ходе европейского проекта Brainbow, помогают нам создавать эти биомиметические искусственные нейроны «.

Они настроили искусственную нейронную сеть, чтобы использовать несколько разных ритмов, пока не нашли лучшее соответствие. Группы нейронов были назначены определенным пикселям в сетке изображения, и затем ритмическая активность смогла изменить визуальный паттерн, который был освещен культивируемыми нейронами. Световые картины были показаны на очень маленькой области культивируемых нейронов, и исследователи смогли проверить местные реакции, а также изменения в глобальных ритмах биологической сети.




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *