Neuroprotesi: con la luce si integrano neuroni con un circuito artificiale

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20 Maggio 2020

Neuroni artificiali e neuroprotesi: è stato fatto un grande passo avanti grazie all’optogenetica che permette d’integrare i segnali artificiali con una rete reale di neuroni.

Una protesi è un dispositivo artificiale che sostituisce una parte lesa o mancante del corpo. Forse le prime immagini che ci vengono in mente sono quelle di un pirata con una gamba di legno o, forse, la famosa mano robotica di Luke Skywalker.

Molto banalmente anche occhiali e lenti a contatto possono essere considerati protesi in quanto sostituiscono o, come meglio dovrebbe dirsi in questo caso, correggono le lenti naturali nei nostri occhi.

Una neuroprotesi dovrebbe sostituire parte di un cervello danneggiato.

Come potrebbe essere fatta la materia del cervello artificiale? Come potrebbe funzionare?

La creazione di tecnologia neuroprotesica è l’obiettivo di un team internazionale guidato dal ricercatore Ikerbasque Paolo Bonifazi dell’Istituto di ricerca sanitaria Biocruces (Bilbao, Spagna) e Timothée Levi dell’Istituto di scienze industriali dell’Università di Tokyo e del laboratorio IMS, Università di Bordeaux.

I neuroni comunicano in modo molto preciso, ma l’uscita elettrica dalla tipica rete neurale non è in grado di colpire specifici neuroni.

Sebbene siano stati sviluppati diversi tipi di neuroni artificiali, nessuno è stato veramente pratico finora per le neuroprotesi. Uno dei maggiori problemi è che i neuroni nel cervello comunicano in modo molto preciso, ma l’uscita elettrica dalla tipica rete neurale elettrica non è in grado di colpire specifici neuroni.

Per ovviare a questo problema, il team ha convertito i segnali elettrici in luce.

Come spiega Levi,

i progressi della tecnologia optogenetica ci hanno permesso di colpire con precisione i neuroni in un’area molto piccola della nostra rete neuronale biologica.

 

 

L’optogenetica è una tecnologia che sfrutta diverse proteine ​​sensibili alla luce presenti nelle alghe e in altri animali.

La rete neuronale è stata controllata con l’optogenetica inserendo nei neuroni proteine sensibili alla luce.

Inserire queste proteine ​​nei neuroni è una specie di hackeraggio: una volta che sono lì, il neurone può essere controllato con la luce che lo rende attivo o inattivo, a seconda del tipo di proteina.

In questo caso, i ricercatori hanno utilizzato proteine ​​attivate specificamente dalla luce blu. Nel loro esperimento, hanno prima convertito l’uscita elettrica della rete neuronale in un modello a scacchi di quadrati blu e neri grande 0,8 per 0,8 mm. Quindi, hanno illuminato questo schema dopo aver fatto crescere su di esso una rete neuronale biologica. All’interno di questo quadrato, solo i neuroni colpiti dalla luce proveniente dagli scacchi blu sono stati​​ direttamente attivati.

L’attività spontanea nei neuroni in coltura produce attività sincrona che segue un certo tipo di ritmo. Questo ritmo è definito dal modo in cui i neuroni sono collegati tra loro, dai tipi di neuroni e dalla loro capacità di adattamento e cambiamento.

Levi afferma che

la chiave del nostro successo è stato capire che i ritmi dei neuroni artificiali dovevano corrispondere a quelli dei neuroni reali. Una volta che siamo riusciti a farlo, la rete biologica è stata in grado di rispondere alle “melodie” inviate da quello artificiale. I risultati preliminari ottenuti durante il progetto europeo Brainbow ci aiutano a progettare questi neuroni artificiali biomimetici.

La rete neuronale artificiale è stata quindi “sintonizzata” per utilizzare diversi ritmi diversi fino a quando non è stata trovata la migliore corrispondenza. Gruppi di neuroni sono stati assegnati a pixel specifici nella griglia dell’immagine e l’attività ritmica è stata quindi in grado di cambiare il modello visivo a seconda di come venivano illuminati i neuroni in coltura. I ricercatori sono stati anche in grado di verificare le reazioni locali e i cambiamenti nei ritmi globali della rete biologica.

Incorporare l’optogenetica nel sistema è un progresso verso la praticità

afferma Levi che conclude

Permetterà ai futuri dispositivi biomimetici di comunicare con tipi specifici di neuroni o all’interno di specifici circuiti neuronali.

Il team è ottimista sul fatto che i futuri dispositivi protesici che utilizzano il loro sistema saranno in grado di sostituire i circuiti cerebrali danneggiati e ripristinare la comunicazione tra le regioni cerebrali. La progettazione di sistemi neuromorfici bioibridi creerà una nuova generazione di neuroprotesi.

 

 

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mercoledì 20 Maggio 2020 - 7:31
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