Voor het eerst reproduceerden onderzoekers met succes de elektrische eigenschappen van biologische neuronen op halfgeleiderchips.
Kunstmatige neuronen op siliciumchips die zich gedragen zoals het echte werk, zijn uitgevonden door wetenschappers – een eerste in zijn soort met enorme mogelijkheden voor medische hulpmiddelen om chronische ziekten te genezen, zoals hartfalen, Alzheimer en andere neuronale ziekten degeneratie.
Kritiek: de kunstmatige neuronen gedragen zich niet alleen net als biologische neuronen, maar hebben slechts een miljardste van de kracht van een microprocessor nodig, waardoor ze bij uitstek geschikt zijn voor gebruik in medische implantaten en andere bio-elektronische apparaten.
Het onderzoeksteam, onder leiding van de Universiteit van Bath en inclusief onderzoekers van de universiteiten van Bristol, Zürich en Auckland, beschrijven de kunstmatige neuronen in een studie gepubliceerd in Nature Communications .
Het ontwerpen van kunstmatige neuronen die reageren op elektrische signalen van het zenuwstelsel zoals echte neuronen, is al tientallen jaren een belangrijk doel in de geneeskunde, omdat het de mogelijkheid opent om aandoeningen te genezen waarin neuronen niet goed werken, hun processen zijn afgehakt zoals in het ruggenmerg letsel of gestorven zijn. Kunstmatige neuronen kunnen zieke biocircuits repareren door hun gezonde functie te repliceren en adequaat te reageren op biologische feedback om de lichaamsfunctie te herstellen.
Bij hartfalen bijvoorbeeld, reageren neuronen in de basis van de hersenen niet goed op feedback van het zenuwstelsel, ze sturen op hun beurt niet de juiste signalen naar het hart, dat dan niet zo hard pompt als zou moeten.
Het ontwikkelen van kunstmatige neuronen is echter een enorme uitdaging geweest vanwege de uitdagingen van complexe biologie en moeilijk te voorspellen neuronale reacties.
De onderzoekers hebben met succes modellen gemodelleerd en afgeleid om uit te leggen hoe neuronen reageren op elektrische prikkels van andere zenuwen. Dit is ongelooflijk gecompliceerd omdat reacties ‘niet-lineair’ zijn – met andere woorden, als een signaal twee keer zo sterk wordt, hoeft het niet noodzakelijk twee keer zo groot te zijn als een reactie – het kan driemaal groter zijn of iets anders.
Ze ontwierpen vervolgens siliciumchips die nauwkeurig de biologische ionenkanalen modelleerden, voordat ze bewezen dat hun siliciumneuronen echt, levende neuronen nabootsten die op een reeks prikkels reageerden.
De onderzoekers repliceerden nauwkeurig de volledige dynamiek van hippocampale neuronen en ademhalingsneuronen van ratten, onder een breed scala aan stimuli.
Professor Alain Nogaret , van de Universiteit van Bath Department of Physics leidde het project. Hij zei: “Tot nu toe waren neuronen als zwarte dozen, maar we zijn erin geslaagd de zwarte doos te openen en naar binnen te kijken. Ons werk verandert van paradigma omdat het een robuuste methode biedt om de elektrische eigenschappen van echte neuronen tot in de kleinste details weer te geven.
“Maar het is breder dan dat, omdat onze neuronen slechts 140 nanoWatt vermogen nodig hebben. Dat is een miljardste van de stroombehoefte van een microprocessor, die andere pogingen om synthetische neuronen te maken hebben gebruikt. Dit maakt de neuronen zeer geschikt voor bio-elektronische implantaten om chronische ziekten te behandelen.
“We ontwikkelen bijvoorbeeld slimme pacemakers die niet alleen het hart stimuleren om met een constante snelheid te pompen, maar deze neuronen gebruiken om in realtime te reageren op eisen die aan het hart worden gesteld – wat van nature gebeurt in een gezond hart. Andere mogelijke toepassingen zouden meer in het algemeen kunnen zijn bij de behandeling van aandoeningen zoals Alzheimer en neuronale degeneratieve ziekten.
“Onze aanpak combineert verschillende doorbraken. We kunnen zeer nauwkeurig de precieze parameters schatten die het gedrag van elk neuron met grote zekerheid regelen. We hebben fysieke modellen van de hardware gemaakt en aangetoond dat het in staat is om het gedrag van echte levende neuronen succesvol na te bootsen. Onze derde doorbraak is de veelzijdigheid van ons model waarmee verschillende typen en functies van een reeks complexe zoogdierneuronen kunnen worden opgenomen. ”
Professor Giacomo Indiveri, een co-auteur van de studie, van de Universiteit van Zürich en ETF Zürich, voegde eraan toe: “Dit werk opent nieuwe horizonten voor het ontwerp van neuromorfe chips dankzij zijn unieke benadering voor het identificeren van cruciale analoge circuitparameters.”
Een andere co-auteur, professor Julian Paton, een fysioloog aan de Universiteit van Auckland en de Universiteit van Bristol, zei: “Het repliceren van de reactie van respiratoire neuronen in bio-elektronica die geminiaturiseerd en geïmplanteerd kan worden, is erg opwindend en biedt enorme mogelijkheden voor slimmere medische apparaten die gericht zijn op gepersonaliseerde geneeskundebenaderingen voor een reeks ziekten en handicaps “.”
De studie werd gefinancierd door een Horizon 2020 Future Emerging Technologies Program-beurs van de Europese Unie en een doctoraatsstudentschap gefinancierd door de Engineering and Physical Sciences Research Council (ESPRC).