I ricercatori sviluppano un metodo per le reti neuronali artificiali per comunicare con quelli biologici
Un gruppo di ricercatori ha sviluppato un modo per le reti neuronali artificiali di comunicare con le reti neuronali biologiche. Il nuovo sviluppo è un grande passo avanti per i dispositivi neuroprotesici, che sostituiscono i neuroni danneggiati con i circuiti neuronali artificiali.
Il nuovo metodo si basa sulla conversione di segnali artificiali di spiking elettrici in un modello visivo. Viene quindi utilizzato, tramite la stimolazione optogenetica, per trascinare i neuroni biologici.
L’articolo intitolato ” Verso la comunicazione neuroprostetica in tempo reale da in silico a una rete neuronale biologica tramite stimolazione optogenetica modellata ” è stato pubblicato in Scientific Reports.
Tecnologia neuroprostetica
Un team internazionale guidato dal ricercatore Ikerbasque Paolo Bonifazi del Biocruces Health Research Institute di Bilbao, in Spagna, ha iniziato a creare la tecnologia neuroprostetica. A lui si unì Timothée Levi dell’Istituto di scienze industriali dell’Università di Tokyo.
Una delle maggiori sfide che circondano questa tecnologia è che i neuroni nel cervello sono estremamente precisi durante la comunicazione. Quando si tratta di reti neurali elettriche, l’uscita elettrica non è in grado di colpire neuroni specifici.
Per ovviare a questo, il team di ricercatori ha convertito i segnali elettrici in luce.
Secondo Levi, “i progressi della tecnologia optogenetica ci hanno permesso di colpire con precisione i neuroni in un’area molto piccola della nostra rete neuronale biologica”.
L’optogenetica è una tecnologia che si basa sulle proteine sensibili alla luce che si trovano nelle alghe e in altri animali. Quando queste proteine vengono inserite nei neuroni, la luce può essere proiettata su un neurone per renderlo attivo o inattivo, a seconda del tipo di proteina.
I ricercatori hanno utilizzato proteine specifiche attivate dalla luce blu nel progetto. Il primo passo è stato quello di convertire l’uscita elettrica della rete neuronale spigolosa in uno schema a scacchi composto da quadrati blu e neri. Questo modello è stato quindi proiettato dalla luce su un quadrato di 0,8 per 0,8 mm della rete neurale biologica, che cresceva in un piatto. Quando ciò è accaduto, sono stati attivati solo i neuroni colpiti dalla luce proveniente dai quadrati blu.
L’attività sincrona viene prodotta nei neuroni in coltura ogni volta che c’è attività spontanea. Ciò si traduce in un tipo di ritmo che si basa sul modo in cui i neuroni sono collegati tra loro, i diversi tipi di neuroni e su come si adattano e cambiano.
“La chiave del nostro successo”, afferma Levi, “era capire che i ritmi dei neuroni artificiali dovevano corrispondere a quelli dei neuroni reali. Una volta che siamo riusciti a farlo, la rete biologica è stata in grado di rispondere alle “melodie” inviate da quella artificiale. I risultati preliminari ottenuti durante il progetto europeo Brainbow ci aiutano a progettare questi neuroni artificiali biomimetici “.
I ricercatori alla fine hanno trovato la migliore corrispondenza dopo che la rete neurale artificiale è stata sintonizzata su ritmi diversi e sono stati in grado di identificare i cambiamenti nei ritmi globali della rete biologica.
“Incorporare l’optogenetica nel sistema è un progresso verso la praticità”, afferma Levi. “Permetterà ai futuri dispositivi biomimetici di comunicare con tipi specifici di neuroni o all’interno di specifici circuiti neuronali.”
I futuri dispositivi protesici sviluppati con il sistema potrebbero sostituire i circuiti cerebrali danneggiati. Potrebbero anche ripristinare la comunicazione tra le diverse regioni del cervello. Tutto ciò potrebbe portare a una generazione estremamente impressionante di neuroprotesi.
