人造大脑利用光与真正的神经元进行交流

- 编辑:大众自然网 -

人造大脑利用光与真正的神经元进行交流

假体是一种人工装置,用来替换身体受伤或缺失的部分。你可以很容易地想象出一个有着木腿的典型海盗,或者是卢克·天行者(Luke Skywalker)著名的机械手臂。不那么引人注目的是,想想像眼镜和隐形眼镜这样的老派修复术,它们取代了我们眼睛里的自然镜片。现在试着想象一个可以替代部分受损大脑的假肢。人工大脑会是什么样的呢?它是如何工作的?

创造神经假体技术是一个国际团队的目标,该团队由来自西班牙毕尔巴鄂Biocruces健康研究所的Ikerbasque研究员保罗·博尼法齐(Paolo Bonifazi)和来自东京大学工业科学研究所和波尔多大学IMS实验室的提莫西·利瓦伊(Timothee Levi)领导。虽然已经开发出几种人工神经元,但还没有一种能真正用于神经修复。最大的问题之一是,大脑中的神经元之间的交流非常精确,但典型的电神经网络的电输出却无法针对特定的神经元。为了解决这个问题,研究小组将电信号转换为光。利瓦伊解释说:“先进的光遗传学技术使我们能够精确地瞄准我们生物神经网络中一个非常小的区域的神经元。”

光遗传学是一项利用藻类和其他动物中发现的几种光敏蛋白质的技术。将这些蛋白质插入神经元是一种黑客;一旦它们在那里,照在神经元上的光将使它活跃或不活跃,这取决于蛋白质的类型。在这种情况下,研究人员使用了被蓝光激活的蛋白质。在他们的实验中,他们首先将尖峰神经元网络的电输出转换成蓝色和黑色方块的格子图案。然后,他们将这个图案投射到培养皿中生长的0.8 * 0.8毫米的生物神经网络上。在这个正方形中,只有受到来自蓝色正方形的光照射的神经元被直接激活。

通过光发生技术刺激MEA上的神经元培养。实时人工神经网络活动定义了刺激的光模式。模式刺激图像是由64个人工神经网络活动转换成8x8矩阵图像生成的。每个方块代表一个人工神经元。当方块是白色时,表示有脉冲活动,当方块是黑色时,表示没有活动。一旦vga图像被传送到视频投影机,来自数字硬件板的一个额外的同步TTL信号就会激活信号发生器,信号发生器控制视频投影机蓝色光源的功率调制。由视频放映机产生的图像通过自适应的右上荧光显微镜反放大(约14倍),聚焦于显微镜焦平面上的神经元培养。活的神经元,在培养约四周时,先前用快速通道视紫红质2变异体首领转导,用红色钙成像和多电极记录监测诱发的神经元放电对蓝光刺激作出反应。请注意,照明突出电极的金属条。资料来源:东京大学工业科学研究所

培养的神经元的自发活动产生同步活动,遵循一定的节律。这种节律是由神经元连接在一起的方式、神经元的类型以及它们适应和改变的能力决定的。

“我们成功的关键,”利瓦伊说,“是理解人造神经元的节律必须与真正的神经元相匹配。”一旦我们能够做到这一点,生物网络就能够响应人造网络发出的“旋律”。欧洲脑弓计划的初步成果,帮助我们设计这些仿生人工神经元。”

他们调整人工神经网络使用几种不同的节奏,直到找到最佳匹配。一组神经元被分配到图像网格中的特定像素上,然后有节奏的活动能够改变被照射到培养的神经元上的视觉模式。光的模式显示在培养的神经元的一个非常小的区域,研究人员能够验证局部反应以及生物网络的整体节律的变化。

利瓦伊说:“将光遗传学纳入系统是朝着实用性的一个进步。”“这将使未来的仿生设备能够与特定类型的神经元或特定的神经回路进行交流。”该团队乐观地认为,未来使用该系统的假肢设备将能够替代受损的大脑回路,恢复大脑区域之间的通信。“在东京大学,与Pr Kohno和池内博士合作,我们专注于生物混合神经形态系统的设计,以创造新一代的神经假体,”李维说。