Перші в світі штучні нейрони

Штучні нервові клітини на кремнієвих чіпах, що є аналогами справжніх – перше в своєму роді досягнення вчених, яке допоможе лікувати такі хронічні захворювання, як серцева недостатність, хвороба Альцгеймера та інші нейродегенеративні хвороби.

Критично важливим є те, що штучні нейрони не тільки поводяться так само, як біологічні, але потребують лише мільярдної частини потужності мікропроцесора, що робить їх ідеально придатними для використання в медичних імплантатах та інших біоелектронних пристроях.

Дослідницька група під керівництвом Університету Бата, включаючи дослідників з університетів Брістоля, Цюріха та Окленда, описала штучні нейрони у дослідженні, опублікованому в Nature Communications.

Розробка штучних нейронів, що реагують на електричні сигнали нервової системи, як справжні, вже десятиліттями є головною метою медицини, оскільки відкриває можливості виліковувати хвороби, при яких нервові клітини не працюють належним чином через порушення ключових процесів передачі імпульсів, скажімо, як це трапляється при ураженні спинного мозку. Штучні нейрони здатні відновлювати хворі біосхеми, повторюючи функцію здорових та адекватно реагуючи на біологічний зворотний зв’язок для відновлення тілесних функцій.

Наприклад, при серцевій недостатності нейрони в глибинних структурах мозку не реагують належним чином на зворотній зв’язок нервової системи, вони, в свою чергу, не надсилають правильні сигнали до серця, яке не працює так сильно, як слід.

Однак розвиток штучних нейронів був величезною проблемою через комплекс різноманітних перепон, включаючи важко передбачувані реакції нейронів. Це надзвичайно складно, оскільки відповіді “нелінійні” – іншими словами, якщо сигнал стає вдвічі сильнішим, він не повинен викликати вдвічі більшу реакцію – вона може бути втричі більшою, і таке інше.

На основі складних розрахунків вчені сконструювали кремнієві чіпи, які точно змоделювали біологічні іонні канали, перш ніж довести, що їхні штучні нейрони точно імітують реальні, живі нейрони, реагуючи на ряд стимулів.

Дослідники точно повторили повну динаміку нейронів гіпокампа та дихальних нейронів у щурів, під широким спектром подразників.

Проект очолив професор Ален Ногарет із фізичного факультету університету Бата. Він сказав: “До цих пір нейрони були схожі на чорні скриньки, але нам вдалося відкрити чорну скриньку і заглянути всередину. Наша робота радикально нова, оскільки вона забезпечує надійний метод відтворення електричних властивостей реальних нейронів у дрібних деталях.

“Нашим нейронам потрібно лише 140 нановатт потужності. Це мільярдна частина від енергетичної потужності мікропроцесора, який використовувався при інших спробах розробки синтетичних нейронів. Це робить наші штучні нейрони добре придатними для різноманітних біоелектронних імплантатів.

“Наприклад, ми розробляємо розумні кардіостимулятори, які не просто стимулюють серце до роботи постійної швидкості, але використовують ці нейрони, щоб реально реагувати на вимоги, які постають перед серцевим м’язом. Це те, що відбувається у здоровому серці. Інше можливе застосування – в лікуванні таких станів, як хвороба Альцгеймера та нейродегенеративні захворювання.

“Наш підхід поєднує в собі кілька проривів. Ми можемо гранично точно оцінити параметри, що контролюють будь-яку поведінку нейронів. Ми створили фізичні моделі апаратних засобів і продемонстрували їх здатність успішно імітувати поведінку реальних живих нейронів. Третім нашим проривом є універсальність нашої моделі, яка дозволяє включати різні типи та функції ряду складних нейронів ссавців”.

Професор Джакомо Індівері, співавтор дослідження з університету Цюріха, додав: “Ця робота відкриває нові горизонти для нейроморфного дизайну мікросхем завдяки унікальному підходу до визначення важливих параметрів аналогових схем”.

Інший співавтор, професор Джуліан Патон, фізіолог з Оклендського університету та Брістольського університету, каже: “Штучно відтворена функція реагування нейронів дихального центру в біоелектроніці, яку можна мініатюрувати і імплантувати, відкриває величезні можливості для розробки розумніших медичних пристроїв, що спрямовані на персоналізовану медицину, підходять до цілого ряду захворювань та інвалідностей “.

Джерело: https://techxplore.com/

© Марина Шелест

Будьте першим, щоб коментувати на "Перші в світі штучні нейрони"

Залишити коментар

Войти с помощью: 

Вашу адресу електронної пошти не буде опублікований.


*