Lebende und künstliche Neuronen, die über das Internet verbunden sind

Einer Gruppe von Wissenschaftlern von Universitäten in Großbritannien, Deutschland, Italien und der Schweiz gelang es, ein System zur Verbindung künstlicher mit biologischen Neuronen zu entwickeln. Sie wurden über das Internet mit einem Memristor verbunden, und drei Elemente des Systems wurden in verschiedenen Regionen Europas platziert.

Die Basis des Gehirns ist eine Gruppe von Neuronen, die sogenannten neuronalen Netze. Einzelne Neuronen binden durch Synapsen aneinander. Neue Technologien ermöglichen es, Analoga von Neuronen zu entwickeln und sie mit künstlichen Synapsen zu verbinden. Natürlich ist dies alles auf einem relativ primitiven Niveau, aber im Laufe der Zeit gelingt es Wissenschaftlern, immer komplexere Projekte durchzuführen.

Nun, ein Memristor in einem solchen künstlichen Netzwerk wird benötigt, um die Effizienz der Signalübertragung von einem Neuron zu einem anderen zu erhöhen .

Das Hauptelement eines künstlichen Netzwerks ist ein Halbleiteranalogon eines Neurons. Dies ist ein Chip von Millionen von Transistoren. Der Chip erzeugte elektrische Impulse, die zuerst zum Memristor und durch ihn über die Mikroelektrode zum Hippocampus-Neuron der Maus gelangten. Wie sich herausstellte, hatte das elektrische Signal eine ähnliche Wirkung wie die anregenden postsynaptischen Potentiale, aus denen neuronale Impulse im Gehirn gebildet werden.

Diese Mikroelektrode spielte die Rolle einer Synapse und wurde daher als Synaptor bezeichnet.



Echte Synapsen sind plastisch, und um eine Analogie zu erreichen, haben Wissenschaftler ein Signal über zwei Pole an den Memristor gesendet. Die erste spielte die Rolle der präsynaptischen Stimulation, da sie von einem künstlichen Neuron angeregt wurde. Nun, die zweite wurde als postsynaptische Eingabe verwendet und gab eine Antwort von einem natürlichen Neuron an den Memristor zurück.

Die Kette erwies sich übrigens als ziemlich kompliziert, aber am Ende funktionierte alles wie erwartet.



Darüber hinaus wurde der zweite Teil des Systems entwickelt - er wird benötigt, um ein Signal von einem lebenden Neuron zu einem Silizium-Neuron zu übertragen. Wissenschaftler haben ein Neuronenregistrierungssystem unter Verwendung der sogenannten lokalen Potentialfixierungsmethode geschaffen. Danach traten die Impulse in den zweiten Memristor und dann in das künstliche Neuron ein.

Das Ergebnis war eine Hybridschaltung, die ein Signal von einer Siliziumzelle an ein echtes Neuron überträgt.

Wie oben angegeben, wurden die Elemente des Systems geografisch getrennt. So befanden sich Siliziumneuronen in Zürich, Memristoren - in Southampton, der Kultur der Mausneuronen - in Padua. Zur Übertragung von Signalen über das Internet wurde das UDP-Protokoll verwendet.

Um die Eigenschaften von Synaptoren zu demonstrieren, modellierten Wissenschaftler die Langzeitpotenzierung der glutamatergen Hippocampus-Synapsen. Im resultierenden Modell arbeitete das erste künstliche Neuron als Schrittmacher. Er erzeugte elektrische Signale einer bestimmten Frequenz. Memristoren fungierten gleichzeitig als postsynaptische Membran, die dem Gehirn die Funktion der Plastizität hinzufügt.

Die Entwickler programmierten die Memristoren so, dass sie den Widerstand in Abhängigkeit von der Häufigkeit der Entladung des biologischen Neurons änderten. Letzteres wurde durch postsynaptische Eingabe aufgezeichnet. So funktionieren Hippocampus-Zellrezeptoren. Nun, der zweite Memristor arbeitete im Zufallslademodus. Er gab zufällig Impulse aus und seine Aktivität wurde von einem natürlichen Neuron durch einen Memristor beeinflusst.



Infolgedessen zeigte eine lebende Zelle Aktivität, die sie auch nach einer Abnahme der Reizhäufigkeit beibehielt. Das dritte Element der Kette zeigte am Ende eine verstärkte spontane Aktivität. Wenn Wissenschaftler die Entladungsrate des Herzschrittmachers reduzierten, entwickelte sich eine langfristige Depression, bei der die Aktivität des gesamten Systems abnahm.

Warum und wie kann ich dieses System verwenden? Laut Wissenschaftlern wird es helfen, Therapien für Herzrhythmusstörungen, Bluthochdruck, Rückenmarksverletzungen und Parkinson zu entwickeln.



By the way, einer dieser Tage bekannt wurde , über eine andere Option für die Verwendung von Memristoren. Sie wurden von Wissenschaftlern des Forschungszentrums „Kurchatov Institute“ zur Speicherung und Verarbeitung von Daten verwendet. Sie werden in Spracherkennungssystemen und Personen in Transport- und Sicherheitskomplexen nützlich sein. In einigen Jahren können Technologien ein Niveau erreichen, bei dem solche Systeme sehr klein sein und eine enorme Informationskapazität haben werden.