Neuroni artificiali, tratament în boli cronice precum insuficiența cardiacă și Alzheimer

O echipă internațională de oameni de știință a descoperit o cale de a atașa neuroni artificiali de cipuri de silicon, metodă despre care cercetătorii cred că ar putea fi utilizată pentru vindecarea mai multor afecțiuni cronice, cum ar fi insuficiența cardiacă, Alzheimer și alte boli de degenerare neuronală.

Neuronii artificiali creați de echipa de cercetători nu numai că se comportă la fel ca neuronii biologici, ci au nevoie doar de o miliardime din puterea unui microprocesor, ceea ce îi face ideali pentru utilizarea în implanturile medicale și alte dispozitive bio-electronice.

Soluție pentru insuficiență cardiac și Alzheimer

Echipa de cercetare, condusă de oameni de știință de la Universitatea din Bath și care include cercetători de la Universitățile din Bristol, Zurich și Auckland, descrie neuronii artificiali într-un studiu publicat în Nature Communications.

Realizarea unor neuroni artificiali care să răspundă la semnalele electrice din sistemul nervos se numără de multă vreme printre obiectivele cercetătorilor în domeniul medical. Acest lucru reprezenta, însă, o provocare din cauza biologiei complexe la acest nivel și a dificultății de a prezice modul în care reacționează neuronii.

Cercetătorii speră că această descoperire ar putea fi utilizată în implanturile medicale pentru tratarea unor afecțiuni, precum insuficiența cardiacă și Alzheimer, deoarece necesită o cantitate mică de energie - doar aproximativ o miliardime din puterea necesară pentru un microprocesor.

În cazul insuficienței cardiace, de exemplu, neuronii din baza creierului nu răspund în mod corespunzător la feedback-ul sistemului nervos și, la rândul lor nu trimit semnalele potrivite inimii, care nu pompează la fel de tare.

Cercetătorii au reușit să replice cu exactitate dinamica completă a neuronilor hipocampali și a neuronilor respiratori de la șobolani, sub o gamă largă de stimuli.

„Până acum, neuronii au fost precum niște cutii negre, însă am reușit să deschidem cutia neagră și să aruncăm o privire în interior", a explicat conducătorul proiectului, profesor Alain Nogaret de la Universitatea Bath din Marea Britanie.

„Studiul nostru schimbă paradigmele deoarece oferă o metodă solidă prin care pot fi reproduse proprietățile electrice ale neuronilor reali în detalii minuțioase. Însă, este mai amplu de atât, deoarece neuronii noștri au nevoie de doar 140 de nanowați de putere. Adică o miliardime din necesarul de putere al unui microprocesor, acesta din urmă fiind folosit în cadrul altor tentative de creare a neuronilor sintetici. Acest lucru face ca neuronii să fie foarte potriviți pentru implanturi bio-electronice pentru tratarea afecțiunilor cronice'', a adăugat Alain Nogaret.

Stimulatoare cardiace inteligente, o aplicație

„De exemplu, dezvoltăm stimulatoare cardiace inteligente care nu vor stimula doar inima să pompeze în mod constant, ci folosesc acești neuroni pentru a răspunde în timp real la cerințele puse pe inimă - ceea ce se întâmplă în mod natural într-o inimă sănătoasă. Alte aplicații posibile ar putea fi în general în tratamentul afecțiunilor precum Alzheimer și bolile degenerative neuronale. (...) Abordarea noastră combină mai multe descoperiri. Putem estima foarte precis parametrii preciși care controlează orice comportament al neuronilor, cu o certitudine ridicată. Am creat modele fizice ale hardware-ului și am demonstrat capacitatea acestuia de a imita cu succes comportamentul neuronilor vii reali. A treia noastră descoperire este versatilitatea modelului nostru, care permite includerea diferitelor tipuri și funcții ale unei serii de neuroni de mamifere complexe", a mai arătat cercetătorul.

Profesorul Giacomo Indiveri, coautor al studiului, de la Universitatea din Zurich și ETF Zurich, a adăugat: „Această lucrare deschide noi orizonturi pentru proiectarea cipurilor neuromorfe datorită abordării sale unice de identificare a parametrilor cruciali ai circuitului analog."

Un alt coautor, profesorul Julian Paton, fiziolog la Universitatea din Auckland și la Universitatea din Bristol, a declarat: „Replicarea răspunsului neuronilor respiratori în bioelectronică, care poate fi miniaturizat și implantat, este foarte interesantă și deschide oportunități enorme pentru dispozitive medicale mai inteligente care se orientează către medicina personalizată în abordarea unei serii de boli și dizabilități".