Τεχνητούς νευρώνες που «επικοινωνούν» με πραγματικά εγκεφαλικά κύτταρα δημιούργησαν επιστήμονες

Η μελέτη τους, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Nanotechnology, εντάσσεται στο αναπτυσσόμενο πεδίο των νευρομορφικών υπολογιστών, συστημάτων που επιχειρούν να μιμηθούν τη λειτουργία του εγκεφάλου. Ο απώτερος στόχος είναι τα συστήματα αυτά να επεξεργάζονται μεγάλους όγκους δεδομένων με πολύ μικρότερη κατανάλωση ενέργειας σε σχέση με τους συμβατικούς ψηφιακούς υπολογιστές, κάτι ιδιαίτερα σημαντικό στην εποχή της τεχνητής νοημοσύνης.

«Προσπαθούμε να μιμηθούμε τον εγκέφαλο όσο το δυνατόν πιο πιστά», δήλωσε ο Μαρκ Χέρσαμ, καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών στο Πανεπιστήμιο Νορθγοέστερν και συν-συγγραφέας της μελέτης.

Η μελέτη θα μπορούσε επίσης να συμβάλει στη δημιουργία πιο προηγμένων διεπαφών εγκεφάλου-υπολογιστή, τεχνολογιών που επιτρέπουν τον έλεγχο ηλεκτρονικών συσκευών μέσω της εγκεφαλικής δραστηριότητας, αναφέρει το LiveScience. Τέτοια συστήματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν, για παράδειγμα, σε προσθετικά μέλη ή σε συσκευές υποβοηθούμενης επικοινωνίας. Σε πιο μακρινό ορίζοντα, τεχνητοί νευρώνες ίσως βοηθήσουν στην αντικατάσταση κατεστραμμένων νευρικών κυττάρων ή στην αποκατάσταση χαμένων εγκεφαλικών λειτουργιών σε νευροεκφυλιστικές ασθένειες, όπως η νόσος Αλτσχάιμερ.

Πώς κατασκευάστηκαν οι τεχνητοί νευρώνες

Με τα σημερινά τσιπ πυριτίου, δεν μπορεί να γίνει αναπαράσταση του εγκεφαλικού ιστού. Τα συμβατικά κυκλώματα είναι άκαμπτα, βασίζονται σε επαναλαμβανόμενα τρανζίστορ και έχουν σταθερές συνδέσεις. Αντίθετα, τα εγκεφαλικά κύτταρα είναι ευέλικτα, λειτουργούν μέσα σε ένα τρισδιάστατο περιβάλλον που μεταβάλλεται διαρκώς και οι συνδέσεις τους μπορούν να ενισχύονται ή να εξασθενούν ανάλογα με τη χρήση.

Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο πολλές διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή δεν ενσωματώνονται ομαλά στον νευρικό ιστό, αλλά βασίζονται σε σχετικά αδρά ηλεκτρικά σήματα. Για να κατασκευαστούν αποδοτικοί τεχνητοί νευρώνες, χρειάζονται υλικά που να μοιάζουν περισσότερο με τους βιολογικούς νευρώνες, αναπαράγοντας τα μοτίβα ενεργοποίησης και προσαρμόζοντας τα σήματά τους.

Οι προηγούμενες προσπάθειες βασίζονταν συνήθως είτε σε μαλακά οργανικά υλικά, όπως γέλες και ιστοί, είτε σε σκληρά μεταλλικά οξείδια. Τα πρώτα όμως παρήγαγαν υπερβολικά αργά σήματα, ενώ τα δεύτερα υπερβολικά γρήγορα. Η ομάδα του Χέρσαμ ακολούθησε διαφορετική προσέγγιση: χρησιμοποίησε εκτυπώσιμα μελάνια που περιείχαν μικροσκοπικές νιφάδες δισουλφιδίου του μολυβδαινίου, ενός ημιαγωγού, και γραφενίου, ενός αγώγιμου υλικού. Τα μελάνια τυπώθηκαν πάνω σε εύκαμπτο πολυμερές υπόστρωμα.

Αν και τέτοια υποστρώματα θεωρούνταν μέχρι σήμερα πρόβλημα, επειδή παρεμβαίνουν στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι μπορούν να λειτουργήσουν υπέρ τους. Ρυθμίζοντας με ακρίβεια τον τρόπο με τον οποίο το πολυμερές θερμαίνεται και αποδομείται μερικώς, δημιούργησαν μικροσκοπικά ενεργειακά νήματα που επιτρέπουν στο ρεύμα να αυξάνεται απότομα και στη συνέχεια να υποχωρεί, μιμούμενο την ηλεκτρική ενεργοποίηση ενός νευρώνα.

Επικοινωνία με εγκεφαλικά κύτταρα

Με την προσαρμογή των παραμέτρων της συσκευής, οι τεχνητοί νευρώνες παρήγαγαν πιο σύνθετα μοτίβα σημάτων, από μεμονωμένες αιχμές έως σύντομες ριπές δραστηριότητας. Για να ελέγξουν αν τα σήματα αυτά μπορούν να γίνουν αντιληπτά από βιολογικό ιστό, οι επιστήμονες τοποθέτησαν τους τεχνητούς νευρώνες δίπλα σε τομές εγκεφάλου ποντικού σε εργαστηριακό δίσκο. Τα νευρικά κύτταρα του ποντικού άρχισαν να πυροδοτούνται με τον ίδιο ρυθμό, ένδειξη ότι μπορούσαν να «διαβάσουν» το τεχνητό σήμα σαν να προερχόταν από πραγματικό νευρικό ιστό.

Όπως σημειώνουν οι ερευνητές, το επόμενο μεγάλο βήμα δεν είναι μόνο η κατασκευή τεχνητών νευρώνων, αλλά η σύνδεσή τους σε κυκλώματα με τεχνητικές συνάψεις, ώστε να προσεγγίσουν πιο ολοκληρωμένα τη λειτουργία του εγκεφάλου.