Vedci vymysleli umelé neuróny na kremíkových čipoch, ktoré sa správajú rovnako ako skutočné neuróny - ide o prvý objav svojho druhu s obrovským dosahom na vývoj zdravotníckych pomôcok na liečenie chronických chorôb, ako sú srdcové zlyhanie, Alzheimerova choroba a iné neurodegeneratívne choroby.
Dôležité je, že sa umelé neuróny nielen správajú ako biologické neuróny, ale potrebujú iba jednu miliardtinu energie mikroprocesora, vďaka čomu sú ideálne vhodné na použitie v lekárskych implantátoch a iných bioelektronických zariadeniach.
Výskumný tím pod vedením vedcov z University of Bath, ktorý zahŕňal výskumných pracovníkov z univerzít v Bristole, Zürichu a Aucklandu opisuje umelé neuróny v štúdii uverejnenej v Nature Communications.
Navrhovanie umelých neurónov, ktoré odpovedajú na elektrické signály z nervového systému, tak ako skutočné neuróny, je v medicíne hlavným cieľom po celé desaťročia, pretože otvára možnosť liečenia stavov, pri ktorých neuróny nefungujú správne, majú narušené procesy, ako napríklad pri zraneniach miechy, alebo pri ktorých neuróny zomreli. Umelé neuróny by mohli opraviť choré bioobvody replikáciou ich zdravej funkcie a primeranou reakciou na biologickú spätnú väzbu, aby sa obnovila nimi riadená telesná funkcia.
Napríklad pri srdcovom zlyhaní neuróny v mozgovej základni nereagujú správne na spätnú väzbu nervového systému, potom neposielajú správne signály do srdca, ktoré potom nepumpuje tak intenzívne ako by malo.
Avšak vývoj umelých neurónov bol obrovskou výzvou kvôli komplexnej biológii systému a ťažko predvídateľným neurónovým reakciám. Vedci úspešne modelovali a odvodili rovnice, ktoré vysvetlili, ako neuróny reagujú na elektrické podnety z iných nervov. Je to neuveriteľne komplikované, pretože reakcie sú „nelineárne“ - inými slovami, ak sa signál stáva dvakrát silnejším, nemusí sa nevyhnutne vyvolávať dvakrát taká veľká reakcia - môže to byť trikrát väčšie alebo ešte nejako iné.
Potom navrhli kremíkové čipy, ktoré presne modelovali biologické iónové kanály, a potom dokázali, že ich kremíkové neuróny presne napodobňovali skutočné, živé neuróny reagujúce na celý rad stimulov. Vedci presne replikovali úplnú dynamiku neurónov hipokampusu a respiračných neurónov potkanov v širokom rozmedzí stimulov.
Projekt viedol profesor Alain Nogaret z Katedry fyziky University of Bath. Hovorí: „Doteraz boli neuróny ako čierne skrinky, ale podarilo sa nám otvoriť čiernu skrinku a nahliadnuť dovnútra. Naša práca mení paradigmu, pretože poskytuje robustnú metódu reprodukcie elektrických vlastností reálnych neurónov v drobných detailoch."
"No nielen to, pretože naše neuróny potrebujú iba 140 nanoWattov energie." To je miliardtina energetickej náročnosti mikroprocesora, ktorý použili pri iných pokusoch o vyrobenie syntetických neurónov. Vďaka tomu sú tieto neuróny vhodné pre bioelektronické implantáty na liečenie chronických chorôb.
„Vyvíjame napríklad inteligentné kardiostimulátory, ktoré nielen stimulujú srdce k tomu, aby pumpovalo rovnomerne, ale pomocou týchto neurónov reagovali v reálnom čase na požiadavky kladené na srdce - čo sa prirodzene deje v zdravom srdci. Ďalšími možnými aplikáciami by mohla byť liečba stavov, ako sú Alzheimerova choroba a neurónové degeneratívne choroby."
„Náš prístup kombinuje niekoľko prielomov. Môžeme veľmi presne odhadnúť presné parametre, ktoré s vysokou istotou kontrolujú akékoľvek správanie neurónov. Vytvorili sme fyzikálne modely hardvéru a preukázali sme jeho schopnosť úspešne napodobňovať správanie skutočných živých neurónov. Náš tretí prielom je všestrannosť nášho modelu, ktorý umožňuje začlenenie rôznych typov a funkcií radu komplexných neurónov cicavcov.“
Profesor Giacomo Indiveri, spoluautor štúdie z Univerzity v Zürichu a ETF v Zürichu, dodal: „Táto práca otvára nové obzory pre návrh neuromorfných čipov vďaka svojmu jedinečnému prístupu k identifikácii rozhodujúcich parametrov analógových obvodov.“
Ďalší spoluautor, profesor Julian Paton, fyziológ z University of Auckland a University of Bristol, uviedol: „Replikovanie odpovede respiračných neurónov v bioelektronike, ktorá môže byť miniaturizovaná a implantovaná, je veľmi vzrušujúce a otvára obrovské možnosti pre inteligentnejšie medicínske zariadenia, ktoré smerujú k personalizovaným medicínskym prístupom k rôznym chorobám a postihnutiam.“
Štúdia bola financovaná z grantu programu Európskej únie Horizon 2020 Budúce nové technológie a doktorandského programu financovaného Radou pre výskum v oblasti inžinierstva a fyzikálnych vied (ESPRC).
Zdroj: www.bath.ac.uk
Pridať nový komentár