Pezzi di cervello artificiale con neuroni reali

I ricercatori dell'Università di Tokyo, dell'Università di Bordeaux (Francia) e di Ikerbasque (Spagna) hanno sviluppato un sistema per integrare “neuroni” basati su chip artificiali con neuroni reali utilizzando modelli di luce simili a codici QR per facilitare la comunicazione.

Una protesi è un dispositivo artificiale che sostituisce una parte lesa o mancante del corpo. Puoi facilmente immaginare un pirata stereotipato con una gamba di legno o la famosa mano robotica di Luke Skywalker. Meno drammaticamente, pensa a protesi della vecchia scuola come occhiali e lenti a contatto che sostituiscono le lenti naturali nei nostri occhi. Ora prova a immaginare una protesi che sostituisce parte di un cervello danneggiato. Come potrebbe essere la materia del cervello artificiale? Come funzionerebbe?

La creazione di tecnologia neuroprotesica è l'obiettivo di un team internazionale guidato dal ricercatore Ikerbasque Paolo Bonifazi (1) dell'Istituto di ricerca sanitaria Biocruces (Bilbao, Spagna) e Timothée Levi dell'Istituto di scienze industriali, Università di Tokyo e del laboratorio IMS, Università di Bordeaux. La ricerca è stata pubblicata su Scientific Reports. (2)

Sebbene siano stati sviluppati diversi tipi di neuroni artificiali, nessuno è si è dimostrato veramente pratico per le neuroprotesi. Uno dei maggiori problemi è che i neuroni nel cervello comunicano in modo molto preciso, ma l'uscita elettrica dalla tipica rete neurale elettrica non è in grado di colpire specifici neuroni. Per ovviare a questo problema, il team ha convertito i segnali elettrici in luce. Come spiega Levi, «i progressi della tecnologia optogenetica ci hanno permesso di colpire con precisione i neuroni in un'area molto piccola della nostra rete neuronale biologica.»

L'optogenetica è una tecnologia che sfrutta diverse proteine sensibili alla luce presenti nelle alghe e in altri animali. Inserire queste proteine nei neuroni è una specie di Hack; una volta che sono lì, illuminare la luce su un neurone lo renderà attivo o inattivo, a seconda del tipo di proteina. In questo caso, i ricercatori hanno utilizzato proteine attivate specificamente dalla luce blu. Nel loro esperimento, hanno prima convertito l'uscita elettrica della rete neuronale spigolosa nel modello a scacchi di quadrati blu e neri. Quindi, hanno brillato questo schema su un quadrato di 0,8 per 0,8 mm della rete neuronale biologica che cresce nel contenitore. All'interno di questo quadrato, solo i neuroni colpiti dalla luce proveniente dai quadrati blu sono stati attivati direttamente.

L'attività spontanea nei neuroni in coltura produce attività sincrona che segue un certo tipo di ritmo. Questo ritmo è definito dal modo in cui i neuroni sono collegati tra loro, dai tipi di neuroni e dalla loro capacità di adattamento e cambiamento.

«La chiave del nostro successo», afferma Levi, «era capire che i ritmi dei neuroni artificiali dovevano corrispondere a quelli dei neuroni reali. Una volta che siamo riusciti a farlo, la rete biologica è stata in grado di rispondere alle “melodie” inviate da quello artificiale. I risultati preliminari ottenuti durante il progetto europeo Brainbow ci aiutano a progettare questi neuroni artificiali biomimetici.»

Gli scienziati hanno sintonizzato la rete neuronale artificiale per utilizzare diversi ritmi diversi fino a quando non hanno trovato la migliore corrispondenza. Gruppi di neuroni sono stati assegnati a pixel specifici nella griglia dell'immagine e l'attività ritmica è stata quindi in grado di cambiare il modello visivo che è stato brillato sui neuroni in coltura. I modelli di luce sono stati mostrati su un'area molto piccola dei neuroni in coltura e i ricercatori sono riusciti a verificare le reazioni locali e i cambiamenti nei ritmi globali della rete biologica.

«Incorporare l'optogenetica nel sistema è un progresso verso la praticità», afferma Levi. «Permetterà ai futuri dispositivi biomimetici di comunicare con tipi specifici di neuroni o all'interno di specifici circuiti neuronali.» Il team è ottimista sul fatto che i futuri dispositivi protesici, che utilizzano il loro sistema, saranno in grado di sostituire i circuiti cerebrali danneggiati e ripristinare la comunicazione tra le regioni cerebrali. «All'università di Tokyo, in collaborazione con Pr Kohno e il dott. Ikeuchi, ci stiamo concentrando sulla progettazione di sistemi neuromorfici bioibridi per creare una nuova generazione di neuroprotesi», afferma il dottor Levi.

Institute of Industrial Science (IIS), the University of Tokyo

Institute of Industrial Science (IIS), l'University of Tokyo è uno dei più grandi istituti di ricerca collegati all'università in Giappone.

Più di 120 laboratori di ricerca, ciascuno guidato da un membro della facoltà, comprendono IIS, con oltre 1.000 membri di cui circa 300 dipendenti e 700 studenti impegnati attivamente nell'istruzione e nella ricerca. Le nostre attività coprono quasi tutte le aree delle discipline ingegneristiche. Dalla sua fondazione nel 1949, IIS ha lavorato per colmare le enormi lacune esistenti tra le discipline accademiche e le applicazioni del mondo reale.

Riferimenti:

(1) Paolo Bonifazi

(2) Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation

Descrizione foto: i ricercatori dell'Università di Tokyo (Giappone), dell'Università di Bordeaux (Francia) e di Ikerbasque (Spagna) hanno sviluppato un sistema per integrare “neuroni” basati su chip artificiali con neuroni reali utilizzando modelli di luce simili a codici QR per facilitare la comunicazione. - Credit: Institute of Industrial Science, The University of Tokyo.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Artificial pieces of brain use light to communicate with real neurons