A Bath-i Egyetem vezetésével alakult kutatócsoportba beletartoznak a Bristol, Zürich és Auckland egyetemeinek kutatói is, a csapat a Nature Communications folyóiratban közzétett tanulmányában írja le a mesterséges idegsejteket.

Kritikus szempont, hogy a mesterséges idegsejtek nemcsak a biológiai idegsejtekhez hasonlóan viselkednek, de egy mikroprocesszor teljesítményének csupán egymilliárdod részére van szükségük, így ideálisak orvosi implantátumokban és más bioelektronikai eszközökben történő felhasználásra.

Az idegrendszer elektromos jeleire az igazi idegsejtekhez hasonlóan reagáló mesterséges idegsejtek tervezése, az orvostudomány több évtizedes célkitűzése, mivel ez lehetővé teszi az olyan állapotok  gyógyítását is, melyeknél az idegsejtek nem működnek megfelelően, a kapcsolataik időlegesen vagy véglegesen megszakadtak, mint például a gerincvelő sérülésénél. A mesterséges idegsejtek megjavíthatják a beteg bio-áramköröket, lemásolva egészséges funkciójukat, és megfelelően reagálhatnak a biológiai visszacsatolásokra, a testi működés helyreállításához.

Például szívelégtelenség esetén az agyalapi idegsejtek nem reagálnak megfelelően az idegrendszer visszacsatolására, és válaszul nem adnak megfelelő jeleket a szívnek, amely azután nem pumpál olyan keményen, mint kellene. A mesterséges idegsejtek fejlesztése mindazonáltal óriási kihívást jelentett a komplex biológia és a nehezen kiszámítható idegi-válaszok miatt.

A kutatók sikeresen modellezték és levezették a származtatott egyenleteket, hogy megértsék hogyan reagálnak az idegsejtek más idegek elektromos stimulusaira. Ez hihetetlenül bonyolult feladat volt, mivel a válaszok nem lineárisak, vagyis ha egy jel kétszer erősebb lesz, akkor nem feltétlenül szükséges kétszer akkora reakciót kiváltani, az is lehet, hogy háromszor akkora szükséges, vagy valami egész más dolog.

Ezután szilícium chipeket készítettek, amelyek pontosan modellezték a biológiai ioncsatornákat, mielőtt bizonyították volna, hogy a szilikon idegsejtek pontosan utánozzák a valódi, élő idegsejteket, reagálva számos stimulációra. A kutatók pontosan meg tudták ismételni a patkányok hippokampuszi és légzési idegsejtjeinek teljes dinamikáját, ingerek széles skálája mellett.

A projektet Alain Nogaret a Bath-i Egyetem Fizikai Tanszékének professzora vezette, így nyilatkozott:

"Mostanáig az idegsejtek olyanok voltak, mint a fekete dobozok, de sikerült kinyitnunk a fekete dobozt és bekukucskálni. Munkánk paradigmaváltó felfedezés, mert robusztus módszert kínál az igazi idegsejtek elektromos tulajdonságainak legapróbb részletekben történő reprodukálására."

"A mi mesterséges neuronjainknak csak 140 nanowatt energiára van szükségük. Ez egy olyan mikroprocesszor energiaigényének milliárdod része, amelyet más szintetikus neuronok készítésére tett próbálkozásokban felhasználtak. Ez teszi mesterséges idegsejtjeinket alkalmassá a bioelektronikai implantátumokban való alkalmazásra és azokon keresztül a krónikus betegségek kezelésére."

"Például olyan intelligens pacemakereket fejleszthetünk ki, amelyek nemcsak arra ösztönzik a szívet, hogy állandó sebességgel pumpáljon, de ezeket a mesterséges idegsejteket felhasználva valós időben reagálhatnak a szívvel szemben támasztott igényekre - ez ugyanis az, ami természetesen megtörténik az egészséges szívben. Más lehetséges alkalmazási terület lehet olyan állapotok kezelése, mint az Alzheimer-kór és általánosabban az idegi degeneratív betegségek."

"Megközelítésünk több áttörést is kombinál. Először is nagyon pontosan képessé váltunk megbecsülni azokat a pontos paramétereket, melyek az idegsejtek viselkedését szabályozzák. Másodszor elkészítettük a hardver fizikai modelljeit és bebizonyítottuk azt a képességét, hogy sikeresen utánozza a valódi élő neuronok viselkedését."

"A harmadik áttörésünk modellünk sokoldalúsága, amely lehetővé teszi egy sor komplex emlős-neuron különböző típusainak és funkcióinak beépítését."

Egy másik társszerző, Julian Paton professzor, az Aucklandi Egyetem és a Bristoli Egyetem élettani szakértője elmondta: "A légzési-idegsejtek reakcióinak beültethető, miniatürizálható lemásolása, a bioelektronikában nagyon izgalmas, és óriási lehetőségeket nyit meg az intelligensebb orvosi eszközök létrehozása felé, melyek a személyre szabott gyógyítás orvosi-megközelítése felé haladnak számos betegség és fogyatékosság szempontjából ".

Giacomo Indiveri, a Zürichi Egyetem és az ETF Zürich professzora, a tanulmány társszerzője, hozzátette: "Ez a munka új horizontot nyit a neuromorf chipek tervezésében, a kritikus analóg áramköri paraméterek azonosításában képviselt egyedi megközelítésének köszönhetően."

(Forrás: TechXplore, University of Bath Képek: Pexels, Pixabay, University of Bath)