Verdens første som kunstige neuroner udviklet til at helbrede kroniske sygdomme

Kunstige neuroner på siliciumchips, der opfører sig ligesom den virkelige ting, er opfundet af forskere-en første af sin slags præstation med enormt omfang for medicinsk udstyr til at helbrede kroniske sygdomme, såsom hjertesvigt, Alzheimers, og andre sygdomme i neuronal degeneration.

Kritisk opfører de kunstige neuroner sig ikke kun som biologiske neuroner, men har kun brug for en milliarddel af en mikroprocessors kraft, hvilket gør dem velegnede til brug i medicinske implantater og andre bioelektroniske apparater.

Forskergruppen, ledet af University of Bath og inklusive forskere fra Bristol Universiteter, Zürich og Auckland, beskrive de kunstige neuroner i en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation .

Design af kunstige neuroner, der reagerer på elektriske signaler fra nervesystemet som rigtige neuroner, har været et stort mål inden for medicin i årtier, da det åbner mulighed for at helbrede forhold, hvor neuroner ikke fungerer korrekt, har fået deres processer afbrudt som ved rygmarvsskade, eller er døde. Kunstige neuroner kunne reparere syge biokredsløb ved at replikere deres sunde funktion og reagere tilstrækkeligt på biologisk feedback for at genoprette kropsfunktionen.

Ved hjertesvigt f.eks. neuroner i hjernebasen reagerer ikke ordentligt på feedback fra nervesystemet, de sender til gengæld ikke de rigtige signaler til hjertet, som så ikke pumper så hårdt som det burde.

Imidlertid har udvikling af kunstige neuroner været en enorm udfordring på grund af udfordringerne ved kompleks biologi og svært at forudsige neuronale responser.

Forskerne har med succes modelleret og afledt ligninger for at forklare, hvordan neuroner reagerer på elektriske stimuli fra andre nerver. Dette er utrolig kompliceret, da svar er 'ikke -lineære' - med andre ord, hvis et signal bliver dobbelt så stærkt, bør det ikke nødvendigvis fremkalde dobbelt så stor reaktion - det kan være tre gange større eller noget andet.

De designede derefter siliciumchips, der præcist modellerede biologiske ionkanaler, før de beviser, at deres siliciumneuroner præcis efterlignede ægte, levende neuroner, der reagerer på en række stimulationer.

Forskerne replikerede nøjagtigt den komplette dynamik af hippocampusneuroner og respiratoriske neuroner fra rotter, under en lang række stimuli.

Professor Alain Nogaret, fra University of Bath Institut for Fysik ledet projektet. Han sagde:"Indtil nu har neuroner været som sorte kasser, men det er lykkedes os at åbne den sorte boks og kigge indenfor. Vores arbejde ændrer paradigme, fordi det giver en robust metode til at gengive de elektriske egenskaber af virkelige neuroner i små detaljer.

"Men det er bredere end det, fordi vores neuroner kun har brug for 140 nanoWatt strøm. Det er en milliarddel af strømbehovet for en mikroprocessor, som andre forsøg på at lave syntetiske neuroner har brugt. Dette gør neuronerne velegnede til bio-elektroniske implantater til behandling af kroniske sygdomme.

"For eksempel udvikler vi smarte pacemakere, der ikke bare stimulerer hjertet til at pumpe i en jævn hastighed, men bruger disse neuroner til at reagere i realtid på krav stillet til hjertet - hvilket er det, der sker naturligt i et sundt hjerte. Andet mulige anvendelser kunne være i behandlingen af ​​tilstande som Alzheimers og neuronale degenerative sygdomme mere generelt.

"Vores tilgang kombinerer flere gennembrud. Vi kan meget nøjagtigt estimere de præcise parametre, der styrer enhver neurons adfærd med stor sikkerhed. Vi har skabt fysiske modeller af hardware og demonstreret dets evne til med succes at efterligne adfærden hos virkelige levende neuroner. Vores tredje gennembrud er alsidigheden i vores model, som gør det muligt at inkludere forskellige typer og funktioner i en række komplekse pattedyrneuroner. "

Professor Giacomo Indiveri, medforfatter på undersøgelsen, fra University of Zurich og ETF Zurich, tilføjede:"Dette arbejde åbner nye horisonter for neuromorfe chipdesign takket være dets unikke tilgang til at identificere afgørende analoge kredsløbsparametre."

En anden medforfatter, Professor Julian Paton, en fysiolog ved University of Auckland og University of Bristol, sagde:"Replikering af respirationsneuroners reaktion i bioelektronik, der kan miniaturiseres og implanteres, er meget spændende og åbner enorme muligheder for smartere medicinsk udstyr, der driver mod tilpassede medicinske tilgange til en række sygdomme og handicap". "