قطعات مصنوعی مغز از نور برای برقراری ارتباط با نورون‌های واقعی استفاده می‌کنند

محققان راهی برای برقراری ارتباط شبکه‌های عصبی مصنوعی با شبکه‌های عصبی بیولوژیکی ایجاد کرده‌اند. سیستم جدید سیگنال‌های ضربه‌ای (spiking) الکتریکی مصنوعی را به یک الگوی بصری تبدیل می‌کند تا از طریق تحریک اپتوژنتیک شبکه با سلول‌های عصبی واقعی ارتباط برقرار کند. این پیشرفت برای دستگاه‌های نوروپراستِتیک (پروتزهای عصبی) که در آینده آسیب‌های عصبی را با مدارات عصبی مصنوعی جایگزین می‌کنند، مهم خواهد بود.

پروتز وسیله‌ای مصنوعی است که جایگزین قسمت آسیب‌دیده یا از بین‌رفته‌ی بدن می‌شود. ساده‌ترین آن‌ها لنزهای تماسی چشم هستند. حال سعی کنید پروتزی را تصور کنید که جایگزین بخشی از مغز آسیب دیده می‌شود. این بخش مصنوعی مغز چگونه می‌تواند باشد؟ چگونه کار می‌کند؟

ایجاد فناوری نوروپراستِتیک، هدف یک تیم بین المللی از اسپانیا، ژاپن و فرانسه است. اگرچه انواع مختلفی از سلول‌های عصبی مصنوعی ایجاد شده است، اما هیچ کدام برای پروتزهای عصبی واقعاً عملی نبوده‌اند. یکی از بزرگترین مشکلات این است که نورون‌ها در مغز بسیار دقیق ارتباط برقرار می‌کنند، اما خروجی الکتریکیِ یک شبکه‌ی عصبی الکتریکی معمول، قادر به هدف قرار‌دادن نورون‌های خاص نیست. برای رفع این مشکل، این تیم تحقیقاتی سیگنال‌های الکتریکی را به نور تبدیل‌کردند. همان‌طور که لوی توضیح می‌دهد: "پیشرفت درoptogenetic ، به ما این امکان را می‌دهد که دقیقاً سلول‌های عصبی را در ناحیه‌ی بسیار کوچکی از شبکه‌ی عصبی بیولوژیکی خود هدف قرار دهیم."

Optogeneticsیک فناوری است که از چندین پروتئین حساس به نور که در جلبک‌ها و برخی حیوانات یافت می‌شود، بهره می‌برد. قرار‌دادن این پروتئین‌ها در نورون‌ها نوعی هک‌کردن است. پس از حضور در آنجا، تابش نور به نورون بسته به نوع پروتئین، آن را فعال یا غیرفعال می‌کند. در این مورد، محققان از پروتئین‌هایی استفاده کردند که به طور خاص توسط نور آبی فعال می‌شوند. در آزمایش خود، آنها در ابتدا خروجی الکتریکی شبکه‌ی عصبی اسپایکی را به الگوی شطرنجی مربع‌های آبی و سیاه تبدیل کردند. سپس، این الگو را روی 0.8 در 0.8 میلی‌متر مربع از شبکه‌ی عصبی بیولوژیکی در حال رشد در ظرفی تاباندند. درون این مربع، فقط نورون‌هایی که از مربع‌های آبی به آنها نور تابیده شده بود، مستقیماً فعال شدند.

فعالیت خودبخودی در نورون‌های کشت‌شده فعالیت همزمانی ایجاد می‌کند که ریتم خاصی را دنبال می‌کند. این ریتم با نحوه‌ی اتصال نورون‌ها به یکدیگر، نوع نورون‌ها و توانایی انطباق و تغییر آنها تعریف می‌شود.

لوی می‌گوید: "کلید موفقیت ما درک این بود که ریتم‌های نورون‌های مصنوعی باید با نورون‌های واقعی مطابقت داشته باشد. هنگامی که ما توانستیم این کار را انجام دهیم، شبکه بیولوژیکی توانست به" ملودی‌ها "پاسخ دهد. نتایج اولیه بدست آمده طی پروژه‌ی اروپاییEuropean Brainbow ، به ما کمک می‌کند تا این نورون‌های مصنوعی شبه بیولوژیک را طراحی کنیم."

آنها شبکه‌ی عصبی مصنوعی را تنظیم نمودند تا ریتم‌های مختلفی را امتحان کنند تا اینکه ریتمی با بالاترین تطابق را پیدا کردند. گروهی از نورون‌ها به پیکسل‌های خاصی در شبکه‌ی تصویر اختصاص داده شدند و فعالیت ریتمیک سپس قادر به تغییر الگوی بصری‌ای است که روی نورون‌های کشت‌شده تابیده می‌شود. الگوهای نور روی ناحیه‌ی بسیار کوچکی از نورون‌های کشت داده شده نشان داده شد و محققان توانستند علاوه بر تغییر در ریتم‌های کلی شبکه‌ی بیولوژیکی، واکنش‌های موضعی را مورد بررسی قرار دهند.

لوی می‌گوید: "ترکیب Optogenetics در سیستم، یک پیشبرد به سمت عملی شدن است. این وسیله به دستگاه‌های شبه بیولوژیک آینده امکان ارتباط با انواع مشخص نورون‌ها یا درون مدارهای عصبی خاص را می‌دهد." این تیم خوشبین است که دستگاه های پروتزی در آینده با استفاده از سیستم خود قادر به جایگزینی مدارهای آسیب دیده‌ی مغز و برقراری ارتباط بین مناطق مغز باشند.

منبع: ساینس دیلی