Протез – это искусственное устройство, заменяющее поврежденную или отсутствующую часть тела. Вы легко можете представить стереотипного пирата с деревянной ногой или знаменитую роботизированную руку Люка Скайуокера. Менее драматично, подумайте о протезах старой школы, таких как очки и контактные линзы, которые заменяют естественные линзы в наших глазах. А теперь представьте себе протез, заменяющий часть поврежденного мозга.
На что может быть похожа искусственная мозговая материя? Как бы это вообще работало?
Создание нейропротезной технологии – цель международной группы, возглавляемой исследователем из Икербасков Паоло Бонифази из Института исследований здоровья Biocruces (Бильбао, Испания) и Тимоти Леви из Института промышленных наук Токийского университета и лаборатории IMS Университета Бордо.
Хотя было разработано несколько типов искусственных нейронов, ни один из них не нашел практического применения для нейропротезов. Одна из самых больших проблем заключается в том, что нейроны в мозге очень точно взаимодействуют, но электрический выход из типичной электрической нейронной сети не может нацеливаться на определенные нейроны. Чтобы решить эту проблему, команда преобразовала электрические сигналы в световые.
Как объясняет Леви, «достижения в оптогенетической технологии позволили нам точно нацеливать нейроны в очень небольшой области нашей биологической нейронной сети."
Оптогенетика – это технология, использующая несколько светочувствительных белков, обнаруженных в водорослях и других животных. Вставка этих белков в нейроны – своего рода взлом; как только они появятся, свет на нейрон сделает его активным или неактивным, в зависимости от типа белка. В этом случае исследователи использовали белки, которые активировались именно синим светом.
В своем эксперименте они сначала преобразовали электрический выход нейронной сети с пиками в клетчатый узор из синих и черных квадратов. Затем они осветили этот узор на 0.8 по 0.Квадрат 8 мм биологической нейронной сети, растущей в чашке. Внутри этого квадрата непосредственно активировались только нейроны, на которые попадал свет, исходящий из синих квадратов.
Спонтанная активность культивируемых нейронов вызывает синхронную активность, которая следует определенному ритму.
Этот ритм определяется тем, как нейроны связаны между собой, 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 реагировать на «мелодии», посылаемые искусственной.
Предварительные результаты, полученные в ходе проекта European Brainbow, помогают нам разработать эти биомиметические искусственные нейроны."
Они настроили искусственную нейронную сеть на использование нескольких разных ритмов, пока не нашли наилучшее соответствие. Группы нейронов были назначены конкретным пикселям в сетке изображений, и ритмическая активность затем смогла изменить визуальный паттерн, который отражался на культивируемых нейронах. Световые узоры были показаны на очень небольшой области культивируемых нейронов, и исследователи смогли проверить местные реакции, а также изменения глобальных ритмов биологической сети.
«Включение оптогенетики в систему – это шаг вперед к практичности», – говорит Леви. "Это позволит будущим биомиметическим устройствам связываться с определенными типами нейронов или внутри определенных нейронных цепей."Команда надеется, что будущие протезы, использующие их систему, смогут заменить поврежденные цепи мозга и восстановить связь между областями мозга. «В Токийском университете в сотрудничестве с профессором Коно и доктором Икеучи мы фокусируемся на разработке биогибридных нейроморфных систем для создания нейропротеза нового поколения», – говорит Леви.