Ученые впервые изобрели искусственные нейроны на кремниевых чипах, которые ведут себя так же, как настоящие.
Это огромное достижение колоссальными возможностями для лечения хронических заболеваний, таких как сердечная недостаточность, болезнь Альцгеймера и других заболеваний деградации нейронов.
Критически важно, что искусственные нейроны не только ведут себя так же, как биологические нейроны, но и нуждаются только в одной миллиардной мощности микропроцессора, что делает их идеально подходящими для использования в медицинских имплантатах и других биоэлектрических устройствах.
Исследовательская группа, возглавляемая Университетом Бата и включающая исследователей из университетов Бристоля, Цюриха и Окленда, описывает искусственные нейроны в исследовании, опубликованном в Nature Communications.
Создание искусственных нейронов, которые реагируют на электрические сигналы от нервной системы, как настоящие нейроны, было главной целью в медицине на протяжении десятилетий, поскольку это открывает возможность лечения условий, когда нейроны не работают должным образом, их процессы были прерваны, как при травме спинного мозга, или умерли. Искусственные нейроны могут восстанавливать больные биосхемы, воспроизводя их здоровую функцию и адекватно реагируя на биологическую обратную связь для восстановления функций организма.
Например, при сердечной недостаточности нейроны в основании мозга не реагируют должным образом на обратную связь нервной системы, они в свою очередь не посылают правильные сигналы сердцу, которое затем не качает так сильно, как должно.
Однако разработка искусственных нейронов была огромной проблемой из-за проблем сложной биологии и труднопрогнозируемых нейронных реакций.
Исследователи успешно смоделировали и вывели уравнения, чтобы объяснить, как нейроны реагируют на электрические стимулы от других нервов. Это невероятно сложно, поскольку ответы «нелинейны» – другими словами, если сигнал становится вдвое сильнее, он не обязательно должен вызывать вдвое большую реакцию – он может быть в три раза больше или что-то еще.
Затем они разработали кремниевые чипы, которые точно моделировали биологические ионные каналы, прежде чем доказать, что их кремниевые нейроны точно имитировали реальные, живые нейроны, реагирующие на целый ряд стимулов.
Исследователи точно воспроизвели полную динамику нейронов гиппокампа и дыхательных нейронов от крыс, под широким диапазоном стимулов.
Руководил проектом профессор Ален Ногаре из Физического факультета Университета Бата. Он сказал: “до сих пор нейроны были похожи на черные ящики, но нам удалось открыть черный ящик и заглянуть внутрь. Наша работа меняет парадигму, потому что она обеспечивает надежный метод для воспроизведения электрических свойств реальных нейронов в мельчайших деталях.
“Но она шире, потому что нашим нейронам нужно всего 140 нановатт энергии. Это одна миллиардная потребляемая мощность микропроцессора, который использовали другие попытки сделать синтетические нейроны. Это делает нейроны хорошо подходящими для биоэлектрических имплантатов для лечения хронических заболеваний.
“Например, мы разрабатываем умные кардиостимуляторы, которые не только стимулируют сердце качать кровь с постоянной скоростью, но и используют эти нейроны, чтобы реагировать в режиме реального времени на требования, предъявляемые к сердцу, что естественно происходит в здоровом сердце. Другие возможные применения могут быть в лечении таких состояний, как болезнь Альцгеймера и дегенеративные заболевания нейронов в целом.
«Наш подход сочетает в себе несколько прорывов. Мы можем определить параметры, которые управляют поведением любого нейрона с высокой точностью. Мы создали физические модели аппаратного обеспечения и продемонстрировали его способность успешно имитировать поведение реальных живых нейронов. Наш третий прорыв-универсальность нашей модели, которая позволяет включать различные типы и функции целого ряда сложных нейронов млекопитающих.”
Профессор Джакомо Индивери, соавтор исследования, из Цюрихского университета и ETF Zurich, добавил: «Эта работа открывает новые горизонты для нейроморфного проектирования микросхем благодаря уникальному подходу к определению важнейших параметров аналоговых схем.”
Другой соавтор, профессор Джулиан Патон, физиолог из Университета Окленда и Университета Бристоля, сказал: «воспроизведение реакции дыхательных нейронов в биоэлектронике, которые могут быть миниатюризированы и имплантированы, очень интересно и открывает огромные возможности для более умных медицинских устройств, которые ведут к персонализированным подходам медицины к ряду заболеваний и инвалидности”.”
Исследование финансировалось грантом программы Европейского Союза Horizon 2020 Future Emerging Technologies и докторантурой, финансируемой Советом по исследованиям в области инженерных и физических наук (ESPRC).