Νοημοσύνη δεδομένων Πλάτωνα.
Κάθετη Αναζήτηση & Αι.

Αυτός ο χημικός τεχνητός νευρώνας χρησιμοποιεί ντοπαμίνη για να επικοινωνήσει με τα εγκεφαλικά κύτταρα

Ημερομηνία:

εικόνα

Το ημιδιαφανές τσιπ που ήταν προσαρτημένο στο πόδι του ποντικιού δεν έμοιαζε σε τίποτα με νευρώνα. Διαστιγμένο με μια σειρά αισθητήρων και καναλιών και μικρότερο από ανθρώπινο δάχτυλο, έμοιαζε —και λυγίζει— σαν βοήθημα ταινίας. Ωστόσο, όταν περιχυθεί με ντοπαμίνη, το τσιπ έκανε τα μαγικά του. Το πόδι του ποντικιού άρχισε να συσπάται και να τεντώνεται. Ανάλογα με τη δόση της ντοπαμίνης, το τσιπ έλεγχε το άκρο σαν μαριονέτα.

Το τσιπ είναι ένας τεχνητός νευρώνας, αλλά δεν μοιάζει με τα προηγούμενα τσιπ που κατασκευάστηκαν για να μιμούνται τα ηλεκτρικά σήματα του εγκεφάλου. Αντίθετα, υιοθετεί και προσαρμόζει το άλλο κανάλι επικοινωνίας του εγκεφάλου: τα χημικά.

Αυτές οι χημικές ουσίες που ονομάζονται νευροδιαβιβαστές είναι η «φυσική γλώσσα» του εγκεφάλου. είπε Ο Δρ Benhui Hu στο Ιατρικό Πανεπιστήμιο Nanjing στην Κίνα. Ένας τεχνητός νευρώνας που χρησιμοποιεί μια χημική γλώσσα θα μπορούσε, θεωρητικά, να εισχωρήσει εύκολα στα νευρικά κυκλώματα - για να πιλοτάρει το πόδι ενός ποντικιού, για παράδειγμα, ή να δημιουργήσει μια εντελώς νέα οικογένεια προσθετικών ή νευρικών εμφυτευμάτων ελεγχόμενων από τον εγκέφαλο.

Μια νέα μελέτη Με επικεφαλής τον Hu και τον Δρ. Xiaodong Chen στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nanyang της Σιγκαπούρης, έκαναν ένα μεγάλο βήμα προς την απρόσκοπτη σύνδεση τεχνητών και βιολογικών νευρώνων σε ένα ημι-ζωντανό κύκλωμα. Τροφοδοτείται από ντοπαμίνης, η ρύθμιση δεν ήταν μια απλή μονόδρομη κλήση όπου ένα στοιχείο ενεργοποιούσε ένα άλλο. Μάλλον, ο τεχνητός νευρώνας σχημάτισε έναν βρόχο με πολλαπλά βιολογικά αντίστοιχα, που εκτοξεύει ντοπαμίνη ενώ λάμβανε ανατροφοδότηση για να αλλάξει τη συμπεριφορά του.

Κατά κάποιο τρόπο, το σύστημα λειτουργεί σαν ένας ενδονευρώνας, ο οποίος χρησιμεύει ως φορέας λήψης αποφάσεων στον εγκέφαλο για να ρυθμίσει τα νευρωνικά κυκλώματα. «Ένα μεγάλο μέρος των έξυπνων πληροφοριών -συμπεριλαμβανομένης της μνήμης και των συναισθημάτων- κωδικοποιείται ή μεταφέρεται από χημικά μόρια όπως οι νευροδιαβιβαστές, και θέλαμε να φτιάξουμε έναν τεχνητό νευρώνα που μιμείται τον τρόπο επικοινωνίας ενός πραγματικού νευρώνα», είπαν οι συγγραφείς.

Η άλλη όψη της ιστορίας

Έχετε ακούσει αυτήν την κλασική ιστορία των νευρωνικών δικτύων. Ένας νευρώνας δέχεται ένα ηλεκτρικό zap, το οποίο ταξιδεύει κάτω από τα ελικοειδή κλαδιά του. Εάν το σήμα είναι αρκετά ισχυρό, θα ενεργοποιήσει —ή θα πιέσει— τον επόμενο νευρώνα, συνδέοντας τους δύο σε ένα δίκτυο. Αυτό το δόγμα της νευροεπιστήμης, που διαδόθηκε ως «νευρώνες που πυροβολούν μαζί, σύρονται μαζί», είναι η βάση πολλών νευρομορφικά τσιπ κατασκευασμένο για να αναστρέψει αυτή την ηλεκτρική ιδιορρυθμία για υπολογισμούς χαμηλής ενέργειας και υψηλής απόδοσης.

Τα δεδομένα ή η «μνήμη» αυτών των δραστηριοτήτων αποθηκεύονται στο συνάψεις. Μου αρέσει να φαντάζομαι αυτές τις περίπλοκες κατασκευές ως δύο όχθες ποταμών με ένα ρέμα να ρέει ανάμεσά τους. Η μία τράπεζα είναι μέρος του νευρώνα που στέλνει σήματα, η άλλη είναι μέρος του νευρώνα λήψης.

Αλλά τι βοηθά τα σήματα να διασχίσουν το ρεύμα;

Εισαγάγετε νευροδιαβιβαστές. Μόλις ένας νευρώνας ενσωματώσει τα ηλεκτρικά σήματα που λαμβάνει, οι παλμοί ταξιδεύουν κάτω από τους κλάδους μέχρι να φτάσουν σε μια σύναψη. Εδώ, τα σήματα καθοδηγούν δεκάδες σταθμευμένα «βάρκες» - εικονογραφήστε μικρές σαπουνόφουσκες - το καθένα γεμάτο με νευροδιαβιβαστές, να εκτοξευθούν προς την άλλη όχθη. Μόλις ελλιμενιστούν, τα χημικά ξεφορτώνονται από τα σκάφη για να ενεργοποιήσουν ένα άλλο ηλεκτρικό σήμα στον κατάντη νευρώνα. Και ο κύκλος συνεχίζει να συνδέει τα περίπλοκα δίκτυα του εγκεφάλου.

Ο χημικός υπολογισμός συχνά αγνοείται κατά την κατασκευή νευρικών εμφυτευμάτων, αλλά η εστίαση αποκλειστικά σε ηλεκτρικά σήματα είναι σαν να αγνοεί τις υπερωκεάνιες διαδρομές φορτίου κατά τον σχεδιασμό δρομολογίων αποστολής.

«Αυτή η αναντιστοιχία μπορεί δυνητικά να οδηγήσει σε εσφαλμένη ερμηνεία των μεταδιδόμενων πληροφοριών νευρώνων», είπε η ομάδα, η οποία δυνητικά οδηγεί σε παραπλάνηση των διεπαφών του εγκεφάλου.

Εργο τέχνης

Η νέα μελέτη επανέφερε τον χημικό συλλογισμό σε τεχνητούς νευρώνες. Κοσκινίζοντας μια ολόκληρη σειρά από πιθανούς υποψηφίους νευροδιαβιβαστές, η ομάδα αλίευσε τη ντοπαμίνη - ένα multitasker που οδηγεί τα κίνητρα, κωδικοποιεί την ανταμοιβή και ελέγχει την κίνηση - καθώς αστέρι του τεχνητού νευρώνα.

Το τσιπ περιέχει τρία κύρια συστατικά που μιμούνται έναν πραγματικό νευρώνα: αισθάνεται ντοπαμίνη, κωδικοποιεί το σήμα που προκύπτει μέσα σε μια «σύναψη» και απελευθερώνει ντοπαμίνη στον γείτονά του.

Το πρώτο μέρος είναι ένας ηλεκτροχημικός αισθητήρας που μπορεί να ανιχνεύσει την ντοπαμίνη σε βιολογικά επίπεδα. Κατασκευασμένη από νανοσωλήνες άνθρακα με πασπαλισμένη δόση οξειδίου του γραφενίου, η νανοδομή είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική στο να συλλαμβάνει μικροσκοπικά κομμάτια ντοπαμίνης στο περιβάλλον της, ακόμη και όταν άλλες βιολογικές χημικές ουσίες λασπώνουν τα νερά.

Μόλις εντοπιστούν, τα δεδομένα μεταδίδονται στο επόμενο εξάρτημα - ένα memristor - ως ηλεκτρικός παλμός. Όπως μια σύναψη, ένα memristor έχει μια ενσωματωμένη ικανότητα να αλλάζει την αντίστασή του ανάλογα με την προηγούμενη δραστηριότητα - δηλαδή έχει μια «μνήμη». Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση, τόσο λιγότερο μπορεί να στείλει ηλεκτρικά σήματα προς τα εμπρός.

Η συσκευή μπορεί να ακούγεται εξωτική, αλλά φανταστείτε ένα (πολύ ακριβό) σάντουιτς με τυρί. Τα δύο κομμάτια ψωμιού είναι φτιαγμένα από νανοσωματίδια αργύρου και χρυσού και το «τυρί» είναι μια πρωτεΐνη μεταξιού που συντονίζει την αντίσταση του memristor. Είναι μια τακτοποιημένη ρύθμιση: το εξάρτημα μπορεί να υποστηρίξει βραχυπρόθεσμες και μακροπρόθεσμες αλλαγές στη «σύναψη», μιμούμενοι αναμνήσεις που γλιστρούν γρήγορα από το μυαλό σας ή εκείνες που είναι χαραγμένες στον εγκέφαλο.

Είναι σημάδι μάθησης. «Αυτό σημαίνει ότι το σύστημα έχει σχηματίσει μια ισχυρότερη σύνδεση με επαναλαμβανόμενα ερεθίσματα και θα είναι πιο ευαίσθητο σε οικεία ερεθίσματα σε σύγκριση με φρέσκα», είπαν οι συγγραφείς.

Μετά έρχεται το πραγματικά ωραίο μέρος. Ανάλογα με την αντίστασή του, το memristor μπορεί να θερμάνει μια υδρογέλη έτσι ώστε να απελευθερώνει ντοπαμίνη σε προεγκατεστημένα νανοκανάλια.

Συνδυάζοντας τα πάντα, το τσιπ λειτουργεί σαν ένας βιολογικός νευρώνας. Όταν διεγείρεται με ντοπαμίνη, παράγει ένα ηλεκτρικό σήμα που κωδικοποιείται στη «σύναψη». Εάν το σήμα είναι αρκετά ισχυρό, θα διοχετεύσει ντοπαμίνη στους γείτονές του.

Τι μένει να κάνουμε; Δοκιμάστε το με ζωντανούς νευρώνες.

Μια Βιο-Υβριδική Γέφυρα

Ως πρώτος έλεγχος λογικής, η ομάδα τοποθέτησε το τσιπ μέσα σε ένα τρυβλίο Petri με κύτταρα με την ικανότητα να απελευθερώνει ντοπαμίνη, που ονομάζεται PC12.

Μιμούμενοι τον τρόπο με τον οποίο ενεργοποιούνται οι νευρώνες, άντλησαν ένα αλμυρό μείγμα που πυροδότησε τα κύτταρα να απελευθερώσουν ντοπαμίνη. Ξαφνιασμένος «ξύπνιος» από την ξαφνική εισροή, ο τεχνητός νευρώνας αιχμαλωτίστηκε από δραστηριότητα, αντλώντας με τη σειρά του τη δική του δόση ντοπαμίνης στους γείτονές του PC12. Μόλις λούστηκαν με ντοπαμίνη, τα βιολογικά κύτταρα άλλαξαν το ηλεκτρικό τους ρεύμα ως απόκριση (καθόλου σοφότερο ότι η χημική ουσία προήλθε από έναν τεχνητό νευρώνα).

Αυτός ο τύπος νευρωνικής συνομιλίας είναι παρόμοιος με τους ενδονευρώνες. Όπως υποδηλώνει το όνομά τους, αυτοί οι νευρώνες λειτουργούν σαν σκαλοπάτια σε μια σκάλα, συνδέοντας νευρωνικά δίκτυα και βοηθώντας στη βελτίωση της δραστηριότητας των κυκλωμάτων. Εδώ, ο τεχνητός νευρώνας συμπεριφέρθηκε ως ένας ενδονευρώνας - ένας «ελεγκτής κυκλοφορίας» του είδους που διαμορφώνει τα νευρωνικά δίκτυα και διατηρεί τη δραστηριότητά τους σε ευθυγράμμιση.

Κάνοντας ένα βήμα παραπέρα, η ομάδα έδεσε στη συνέχεια το τσιπ σε ένα νεύρο στο πόδι ενός ποντικιού. Ανάλογα με το επίπεδο της ντοπαμίνης, το πόδι λύγισε σαν να ήταν σε ένα πρωινό τέντωμα, απλώνοντας ευρύτερα καθώς η χημική ουσία αυξανόταν στο τσιπ. Σε μια άλλη απόδειξη της ιδέας, η ομάδα συνέδεσε το τσιπ σε ένα ρομποτικό χέρι. Μαζεύοντας την ποσότητα ντοπαμίνης στο τσιπ, η ομάδα θα μπορούσε να ελέγξει το ρομπότ με μια χημικά επαγόμενη "χειραψία" - ένα τρεμόπαιγμα του μηχανικού καρπού προς τα κάτω, που τροφοδοτείται αποκλειστικά από την ντοπαμίνη.

Δεν είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες κατασκευάζουν έναν νευρώνα που βασίζεται σε χημικά. Πίσω στο 2020, μια ομάδα από το Στάνφορντ συνέδεσε έναν τεχνητό νευρώνα με μεμονωμένους βιολογικούς, δείχνοντας ότι ένας τεχνητός νευρώνας θα μπορούσε να υβριδοποιηθεί με έναν βιολογικό χρησιμοποιώντας την ντοπαμίνη ως έναυσμα.

Η διαφορά εδώ είναι η δυνατότητα ανατροφοδότησης: η νέα εγκατάσταση σχηματίζει έναν βρόχο με νευρώνες, ικανούς να λαμβάνουν και να απελευθερώνουν ντοπαμίνη, αλλάζοντας ταυτόχρονα τη «μνήμη» του δικτύου. Προς το παρόν, ο τεχνητός νευρώνας λειτουργεί περισσότερο ως «γέφυρα αγγελιοφόρου» ικανή να μεταδίδει πληροφορίες. Η εγκατάσταση εξακολουθεί να είναι πολύ ογκώδης για τα εμφυτεύματα εγκεφάλου, αν και οι συγγραφείς εργάζονται για να συρρικνώσουν κάθε στοιχείο και να μειώσουν την κατανάλωση ενέργειας.

Για τους συγγραφείς, τα χημικά και ηλεκτρικά νευρομορφικά τσιπ δεν είναι το ένα ή το άλλο. Άλλωστε, ούτε ο εγκέφαλος είναι.

«Τέτοιοι χημικοί ΔΜΣ [διεπαφές εγκεφάλου-μηχανής] θα μπορούσε να συμπληρώσει τους ηλεκτρικούς ΔΜΣ, επιτρέποντας ενδεχομένως τη σωστή και ολοκληρωμένη ερμηνεία των νευρωνικών πληροφοριών για χρήση στη νευροπροσθετική, στις αλληλεπιδράσεις ανθρώπου-μηχανής και στην κατασκευή cyborg», είπαν οι συγγραφείς.

Image Credit: ktsdesign / Shutterstock.com

spot_img

Τελευταία Νοημοσύνη

spot_img