Kunstmatige neuronen op siliciumchips die zich net als het echte werk gedragen, zijn uitgevonden door wetenschappers - een unieke prestatie met enorme mogelijkheden voor medische apparaten om chronische ziekten te genezen, zoals hartfalen, Alzheimer, en andere ziekten van neuronale degeneratie.

Van cruciaal belang is dat de kunstmatige neuronen zich niet alleen net als biologische neuronen gedragen, maar slechts een miljardste van de kracht van een microprocessor nodig hebben, waardoor ze bij uitstek geschikt zijn voor gebruik in medische implantaten en andere bio-elektronische apparaten.

Het onderzoeksteam, geleid door de Universiteit van Bath en met inbegrip van onderzoekers van de universiteiten van Bristol, Zürich en Auckland, beschrijf de kunstmatige neuronen in een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Het ontwerpen van kunstmatige neuronen die reageren op elektrische signalen van het zenuwstelsel als echte neuronen is al tientallen jaren een belangrijk doel in de geneeskunde. omdat het de mogelijkheid opent om aandoeningen te genezen waarbij neuronen niet goed werken, hun processen zijn doorgesneden zoals bij een dwarslaesie, of zijn overleden. 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 neuronen in de basis van de hersenen reageren niet goed op feedback van het zenuwstelsel, ze sturen op hun beurt niet de juiste signalen naar het hart, die 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 vergelijkingen gemodelleerd en afgeleid om uit te leggen hoe neuronen reageren op elektrische stimuli van andere zenuwen. Dit is ongelooflijk ingewikkeld omdat de reacties 'niet-lineair' zijn - met andere woorden, als een signaal twee keer zo sterk wordt, hoeft het niet noodzakelijk een twee keer zo grote reactie uit te lokken - het kan drie keer groter zijn of iets anders.

Vervolgens ontwierpen ze siliciumchips die biologische ionkanalen nauwkeurig modelleerden, voordat ze bewezen dat hun siliciumneuronen precies de echte nabootsten, levende neuronen die reageren op een reeks stimulaties.

De onderzoekers repliceerden nauwkeurig de volledige dynamiek van hippocampale neuronen en respiratoire neuronen van ratten, onder een breed scala aan prikkels.

Professor Alain Nogaret, van de University of Bath Department of Physics leidde het project. Hij zei:"Tot nu toe waren neuronen als zwarte dozen, maar we zijn erin geslaagd om 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 het kleinste detail te reproduceren.

"Maar het is breder dan dat, omdat onze neuronen slechts 140 nanoWatt aan 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 de eisen die aan het hart worden gesteld - wat van nature gebeurt in een gezond hart. mogelijke toepassingen zouden kunnen zijn bij de behandeling van aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer en neuronale degeneratieve ziekten in het algemeen.

"Onze aanpak combineert verschillende doorbraken. We kunnen de precieze parameters die het gedrag van neuronen besturen met grote zekerheid zeer nauwkeurig schatten. We hebben fysieke modellen van de hardware gemaakt en aangetoond dat het in staat is om het gedrag van echte levende neuronen met succes na te bootsen. Onze derde doorbraak is de veelzijdigheid van ons model dat de opname van verschillende soorten en functies van een reeks complexe zoogdierneuronen mogelijk maakt."

Professor Giacomo Indiveri, een co-auteur van de studie, van de Universiteit van Zürich en ETF Zürich, toegevoegd:"Dit werk opent nieuwe horizonten voor neuromorfisch chipontwerp dankzij de 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 kan worden geminiaturiseerd en geïmplanteerd, is zeer opwindend en biedt enorme kansen voor slimmere medische apparaten die streven naar gepersonaliseerde geneeskundebenaderingen voor een reeks ziekten en handicaps."