Neurônios vivos e artificiais conectados via Internet

Um grupo de cientistas de universidades do Reino Unido, Alemanha, Itália e Suíça conseguiu desenvolver um sistema para conectar neurônios artificiais a biológicos. Eles foram conectados via Internet usando um memristor e três elementos do sistema foram colocados em diferentes regiões da Europa.

A base do cérebro é um grupo de neurônios, as chamadas redes neurais. Neurônios individuais se ligam entre si por sinapses. Novas tecnologias tornam possível desenvolver análogos de neurônios e conectá-los a sinapses artificiais. Claro, tudo isso é em um nível relativamente primitivo, mas com o tempo, os cientistas conseguem projetos cada vez mais complexos.

Bem, é necessário um memristor em uma rede artificial para aumentar a eficiência da transmissão do sinal de um neurônio para outro.

O elemento principal de uma rede artificial é um análogo de semicondutor de um neurônio. Este é um chip de milhões de transistores. O chip gerou impulsos elétricos, que chegaram primeiro ao memristor e, através dele, através do microeletrodo para o neurônio hipocampal do mouse. Como se viu, o sinal elétrico teve um efeito semelhante aos emocionantes potenciais pós-sinápticos, a partir dos quais os impulsos neurais são formados no cérebro.

Este microeletrodo desempenhou o papel de uma sinapse, por isso foi chamado de sinaptor.



Sinapses reais são plásticas e, para alcançar uma analogia, os cientistas transmitiram um sinal ao memristor através de dois pólos. O primeiro teve o papel de estimulação pré-sináptica, pois recebeu excitação de um neurônio artificial. Bem, o segundo foi usado como entrada pós-sináptica, retornando uma resposta de um neurônio natural para o memristor.

A propósito, a cadeia acabou sendo bastante complicada, mas no final tudo funcionou, como esperado.



Além disso, a segunda parte do sistema foi desenvolvida - é necessário transmitir um sinal de um neurônio vivo para um de silício. Os cientistas criaram um sistema de registro de neurônios usando o chamado método de fixação de potencial local. Depois disso, os pulsos entraram no segundo memristor e depois no neurônio artificial.

O resultado foi um circuito híbrido que transmite um sinal de uma célula de silício para um neurônio real.

Como indicado acima, os elementos do sistema foram separados geograficamente. Assim, os neurônios de silício foram localizados em Zurique, os memristores - em Southampton, a cultura dos neurônios de ratos - em Pádua. Para transmitir sinais pela Internet, foi utilizado o protocolo UDP.

Para demonstrar as propriedades dos sinaptores, os cientistas modelaram a potencialização a longo prazo das sinapses hipocampais glutamatérgicas. No modelo resultante, o primeiro neurônio artificial funcionou como marcapasso. Ele produziu sinais elétricos de uma certa frequência. Os memristores atuavam ao mesmo tempo como uma membrana pós-sináptica, que adiciona a função de plasticidade ao cérebro.

Os desenvolvedores programaram os memristores de forma a alterar a resistência em resposta à frequência da descarga do neurônio biológico. Este último foi gravado por entrada pós-sináptica. É assim que os receptores de células do hipocampo funcionam. Bem, o segundo memristor funcionou no modo de carga aleatória. Ele deu impulsos aleatoriamente, e sua atividade foi influenciada por um neurônio natural através de um memristor.



Como resultado, uma célula viva mostrou atividade, mantendo-a mesmo após uma diminuição na frequência de irritação. O terceiro elemento da cadeia, no final, mostrou atividade espontânea aprimorada. Se os cientistas reduziram a taxa de descarga do marcapasso, desenvolveu-se uma depressão a longo prazo, durante a qual a atividade de todo o sistema diminuiu.

Por que e como posso usar este sistema? Segundo os cientistas, ajudará a desenvolver terapias para arritmias cardíacas, hipertensão, lesões na medula espinhal e doença de Parkinson.



A propósito, um dia desses se tornou conhecida outra opção para o uso de memristores. Eles foram usados ​​por cientistas do Centro de Pesquisa “Instituto Kurchatov” para armazenamento e processamento de dados. Eles serão úteis em sistemas de reconhecimento de voz e pessoas em complexos de transporte e segurança. Em alguns anos, as tecnologias podem atingir um nível em que esses sistemas serão muito pequenos e terão uma enorme capacidade de informação.