Ученые изобрели искусственные нейроны на кремниевых чипах, которые ведут себя так же, как настоящие, - первое в своем роде достижение с огромными возможностями для медицинских устройств для лечения хронических заболеваний, таких как сердечная недостаточность, болезнь Альцгеймера и другие заболевания нейронов. перерождение.

Критически важно, что искусственные нейроны не только ведут себя так же, как биологические нейроны, но и нуждаются в мощности микропроцессора всего в одну миллиардную, что делает их идеально подходящими для использования в медицинских имплантатах и ​​других биоэлектронных устройствах.

Исследовательская группа, возглавляемая Батским университетом и включающая исследователей из университетов Бристоля, Цюриха и Окленда, описала искусственные нейроны в исследовании, опубликованном в Nature Communications .

Создание искусственных нейронов, которые реагируют на электрические сигналы нервной системы, как настоящие нейроны, было основной целью медицины на протяжении десятилетий, поскольку это открывает возможность лечения состояний, при которых нейроны не работают должным образом, их отростки разорваны, как в спинном мозге. травмы, или умерли. Искусственные нейроны могут восстанавливать больные биологические цепи, воспроизводя их здоровые функции и адекватно реагируя на биологическую обратную связь для восстановления функций организма.

Например, при сердечной недостаточности нейроны в основании головного мозга не реагируют должным образом на обратную связь нервной системы, они, в свою очередь, не посылают правильные сигналы сердцу, которое затем не качает кровь так сильно, как должно.

Однако разработка искусственных нейронов была огромной проблемой из-за сложных биологических проблем и трудно предсказуемой реакции нейронов.

Исследователи успешно смоделировали и вывели уравнения, объясняющие, как нейроны реагируют на электрические раздражители от других нервов. Это невероятно сложно, поскольку ответы являются «нелинейными» - другими словами, если сигнал становится вдвое сильнее, он не обязательно должен вызывать в два раза большую реакцию - он может быть в три раза сильнее или что-то еще.

Затем они разработали кремниевые чипы, которые точно моделируют каналы биологических ионов, прежде чем доказать, что их кремниевые нейроны точно имитируют настоящие живые нейроны, реагирующие на ряд стимуляций.

Исследователи точно воспроизвели полную динамику нейронов гиппокампа и респираторных нейронов крыс при широком диапазоне раздражителей.

Проект возглавил профессор Ален Ногаре с физического факультета Батского университета 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 предоставляет надежный метод для мельчайших подробностей воспроизведения электрических свойств реальных нейронов.

«Но это шире, потому что нашим нейронам требуется всего 140 нановатт энергии. Это одна миллиардная потребляемая мощность микропроцессора, которую использовали другие попытки создать синтетические нейроны. Это делает нейроны подходящими для биоэлектронных имплантатов для лечения хронических заболеваний.

«Например, мы разрабатываем умные кардиостимуляторы, которые не просто стимулируют сердце работать с постоянной скоростью, но и используют эти нейроны для реагирования в реальном времени на требования, предъявляемые к сердцу, - что естественно происходит в здоровом сердце. Другие возможные применения могут заключаться в лечении таких состояний, как болезнь Альцгеймера и дегенеративные заболевания нейронов в целом.

«Наш подход сочетает в себе несколько прорывов. Мы можем очень точно оценить точные параметры, которые контролируют поведение любого нейрона с высокой уверенностью. Мы создали физические модели оборудования и продемонстрировали его способность успешно имитировать поведение реальных живых нейронов. Наш третий прорыв - это универсальность нашей модели, которая позволяет включать различные типы и функции ряда сложных нейронов млекопитающих ».

Профессор Джакомо Индивери, соавтор исследования, из Цюрихского университета и ETF Zurich, добавил: «Эта работа открывает новые горизонты для дизайна нейроморфных чипов благодаря уникальному подходу к определению важнейших параметров аналоговых схем».

Другой соавтор, профессор Джулиан Патон, физиолог из Оклендского и Бристольского университетов, сказал: «Воспроизведение реакции респираторных нейронов в биоэлектронике, которую можно уменьшить и имплантировать, очень увлекательно и открывает огромные возможности для более разумных медицинских технологий. устройства, которые продвигают персонализированные подходы к медицине для лечения целого ряда заболеваний и инвалидности ».

Исследование финансировалось за счет гранта Евросоюза Horizon 2020 Future Emerging Technologies Programme и докторантуры, финансируемой Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (ESPRC).