O echipă internațională de oameni de știință a dezvoltat neuroni artificiali pe cipuri de siliciu. Acestea se comportă la fel ca neuronii din organismul uman. Prima realizare de acest gen ar putea duce la dezvoltarea de dispozitive medicale pentru tratarea bolilor cronice, cum ar fi insuficiența cardiacă, boala Alzheimer sau alte afecțiuni neurodegenerative.
Neuronii artificiali sunt o descoperire foarte importantă. Ei nu numai că se comportă la fel ca neuronii biologici, ci necesită doar o miliardime din puterea unui microprocesor, ceea ce îi fac ideali pentru utilizare în implanturi medicale, dar și pentru alte dispozitive bio-electronice.
„Până acum, neuronii au fost ca niște „cutii negre”, dar am reușit să le deschidem și să observăm”, a declarat conducătorul cercetării, profesorul departamentului de fizică al Universității din Bath, doctorul Alain Nogaret.
„Munca noastră schimbă ceea ce știam, deoarece oferă o metodă robustă de a reproduce proprietățile electrice ale neuronilor reali cu detalii minime. Mai precis, neuronii noștri au nevoie de doar 140 nW. Aceasta reprezintă o miliardime din necesarul de putere al unui microprocesor. Acest lucru face ca neuronii să fie potriviți atât pentru implanturile bio-electronice, cât și pentru tratarea bolilor cronice.”
Neuronii artificiali au fost descriși, într-un studiu publicat în Nature Communications, intitulat „Neuronii optimi în stare solidă”, de către cercetători, conduși de echipa Universității din Bath în colaborare cu oamenii de știință de la Universitățile din Bristol, Zürich și Auckland.
Proiectarea neuronilor artificiali care răspund la semnalele electrice din sistemul nervos, în același mod în care neuronii reali o fac, a fost un obiectiv major în medicină timp de zeci de ani. Astfel, se naște posibilitatea de a vindeca în condițiile în care neuronii nu mai funcționează corect, nu mai sunt capabili să proceseze sau în cazul în care au murit, precum tratarea unei leziuni la nivelul măduvei spinării.
Neuronii artificiali ar putea repara biocircuitele bolnave, replicând funcția lor sănătoasă și răspunzând în mod adecvat la feedback-ul biologic, pentru a restabili funcțiile corpului.
Cu toate acestea, dezvoltarea neuronilor artificiali vine cu provocări imense asociate cu biologia complexă și răspunsurile neuronale greu de prevăzut. „Dificultatea de a măsura parametrii microscopici care controlează dinamica curenților ionici și neliniaritatea conductanțelor ionice a împiedicat, până acum, eforturile teoretice de a construi modele de calcul cantitative și, ulterior, dispozitive neuromorfe, care reproduc răspunsul exact al unui neuron biologic”, au scris autorii.
Neuronii artificiali, sinapsele și rețelele inspirate din creier au fost propuse toate, dar aceste concepții nu au fost menite să reproducă în detaliu comportamentul celulelor biologice, ci au fost destinate să ajute la identificarea „principiilor organizatoare ale biologiei”, care ar putea fi aplicate dispozitivelor practice. „Accentul din ce în ce mai mare pe bioelectronica implantabilă pentru tratarea bolilor cronice insuflă o urgență în ceea ce reprezintă necesitatea unor dispozitive analogice, în stare solidă, cu putere redusă, care să imite cu exactitate biocircuitele.”
Pentru cercetarea lor privind proiectarea neuronilor artificiali, oamenii de știință au modelat cu succes ecuațiile derivate pentru a explica modul în care neuronii răspund la stimuli electrici de la alți nervi. Aceasta este o sarcină extrem de complicată, deoarece răspunsurile sunt „neliniare”, astfel încât o dublare a puterii semnalului nu provoacă neapărat o dublare a reacției.
Echipa a proiectat apoi cipuri de siliciu care au modelat cu precizie canalele ionice biologice și au confirmat că neuronii lor de siliciu imitau cu exactitate neuronii reali, care răspund la o serie de stimuli. Pentru a demonstra eficiența modelelor, cercetătorii au replicat cu exactitate dinamica completă a neuronilor aflați în hipocamp și neuronilor respiratorii de la șobolani, sub o gamă largă de stimuli. „[…] am construit dispozitive de siliciu cu șase canale care modelează cu fidelitate hipocampul și neuronii respiratorii”, au declarat ei. „Modelele completate prezic tensiunea membranei neuronilor biologici în acord excelent (94 – 97 %) cu oscilațiile tensiunii membranare observate ca răspuns la 60 de protocoale de curent diferite.”
Potențialele aplicații sunt multiple, consideră cercetătorii. „De exemplu, putem să dezvoltăm stimulatoare cardiace inteligente care nu vor stimula doar inima să pompeze la un ritm constant, ci să folosească acești neuroni pentru a răspunde în timp real la cerințele puse pe inimă, ceea ce se întâmplă în mod natural într-o inimă sănătoasă”, a declarat Nogaret.
În cazul insuficienței cardiace, de exemplu, neuronii nu răspund în mod corespunzător la feedback-ul sistemului nervos. La rândul lor, nu trimit semnalele potrivite inimii, care nu pompează la fel de tare. „De exemplu, neuronii respiratori pe care i-am modelat … conectează ritmurile respiratorii și cardiace, fiind responsabili pentru aritmia sinusală respiratorie”, au comentat autorii. „Pierderea acestei legături datorate vârstei sau bolii este un prognostic pentru apnee în somn și insuficiență cardiacă. Prin urmare, un dispozitiv care se adaptează la bio-feedback, în același mod ca și neuronii respiratori, poate oferi o terapie suficientă pentru insuficiența cardiacă. Descrierea noastră exactă a neurobiologiei într-un model derivat din fizica siliciului răspunde acestei nevoi.
Alte aplicații posibile ar putea fi în tratarea unor afecțiuni precum Alzheimer sau a bolilor degenerative neuronale, a sugerat Nogaret. „Abordarea noastră combină mai multe descoperiri. Putem estima cu exactitate parametrii preciși care controlează orice comportament al neuronilor cu o mare siguranță. Am creat modele fizice ale hardware-ului și am demonstrat capacitatea acestuia de a imita cu succes comportamentul neuronilor vii, reali. A treia noastră descoperire este versatilitatea modelului nostru care permite includerea diferitelor tipuri și funcții ale unei serii de neuroni a unor mamifere complexe.”
Cercetătorul Giacomo Indiveri, doctor de la Universitatea din Zürich și ETF Zürich, a comentat: „Această lucrare deschide noi orizonturi pentru proiectarea cipurilor neuromorfe datorită abordării sale unice de identificare a parametrilor cruciali ai circuitului analog”.
Julian Paton, aflat în echipa de cercetare, doctor fiziolog la Universitatea din Auckland și la Universitatea din Bristol, a spus: „Replicarea răspunsului neuronilor respiratori în bioelectronică este foarte interesantă și deschide oportunități enorme”.