„Neuroni” artificiali imprimați au stimulat celule nervoase vii în laborator

Cercetătorii de la Northwestern University au dezvoltat dispozitive electronice flexibile, asemănătoare neuronilor, care pot genera impulsuri electrice suficient de apropiate de semnalele biologice pentru a activa neuroni vii din secțiuni de cerebel de șoarece. Tehnologia ar putea contribui, în viitor, la dezvoltarea interfețelor creier–mașină și a unor sisteme de calcul mai eficiente energetic.

Dispozitivele, descrise într-un studiu publicat în revista Nature Nanotechnology, nu sunt neuroni biologici, ci circuite electronice imprimate care reproduc mai multe tipare de activitate electrică întâlnite în sistemul nervos.

În experimentele de laborator, semnalele generate de neuronii artificiali au stimulat celulele Purkinje din secțiuni de cerebel prelevate de la șoareci. Rezultatele indică posibilitatea realizării unor componente electronice capabile să comunice cu țesutul nervos folosind impulsuri cu caracteristici apropiate de cele fiziologice.

Circuite imprimate pe suprafețe flexibile

Pentru construirea dispozitivelor, cercetătorii au folosit cerneluri electronice care conțin fulgi nanometrici de disulfură de molibden, cu rol de semiconductor, și grafen, utilizat drept conductor electric.

Materialele au fost depuse pe suporturi flexibile din polimer printr-o tehnică denumită imprimare cu jet de aerosoli. În acest mod au fost obținute dispozitive de tip memristor, componente electronice a căror rezistență se modifică în funcție de curentul care a trecut anterior prin ele.

Prin controlarea formării unor filamente conductoare în interiorul materialului, dispozitivele au putut produce impulsuri electrice bruște și repetate, asemănătoare descărcărilor neuronale.

Mai multe tipare de activitate neuronală

Neuronii artificiali au generat atât impulsuri izolate, cât și descărcări continue sau grupuri repetate de impulsuri. Potrivit autorilor, circuitele au reprodus comportamente neuronale de complexitate diferită, inclusiv integrarea și declanșarea unui impuls, latența răspunsului și activitatea tonică sau fazică.

Frecvența semnalelor a putut fi ajustată până la 20 kHz, iar dispozitivele au funcționat stabil pentru mai mult de un milion de cicluri.

Un aspect important al experimentului a fost apropierea dintre durata și forma impulsurilor electronice și cele ale potențialelor de acțiune biologice. Alte tipuri de neuroni artificiali pot genera semnale prea lente sau prea rapide pentru a interacționa eficient cu celulele nervoase.

Au fost activați neuroni din cerebelul de șoarece

Pentru testarea interacțiunii cu țesutul biologic, cercetătorii au transmis semnalele produse de dispozitive către neuroni Purkinje din secțiuni de cerebel de șoarece menținute în laborator.

Impulsurile artificiale au declanșat răspunsuri în neuronii vii și au activat circuite nervoase într-un mod asemănător stimulării electrice naturale.

Experimentul a fost realizat in vitro, pe secțiuni de țesut cerebral, nu prin implantarea dispozitivelor în creierul unor animale sau al unor persoane. Prin urmare, tehnologia se află într-un stadiu experimental timpuriu, iar siguranța și funcționarea sa pe termen lung într-un organism viu nu au fost demonstrate.

Posibile aplicații în neuroproteze și calcul neuromorfic

Autorii consideră că materialele flexibile și procesul de fabricație prin imprimare ar putea fi utile pentru dezvoltarea unor interfețe creier–mașină și a unor viitoare neuroproteze destinate restaurării auzului, vederii sau funcțiilor motorii.

O altă direcție de cercetare este calculul neuromorfic, în care componentele electronice imită modul de procesare a informației din creier. Deoarece fiecare dispozitiv poate produce mai multe tipuri de semnale, sistemele astfel construite ar putea utiliza mai puține componente decât arhitecturile electronice convenționale.

Cercetătorii speră că această abordare va permite dezvoltarea unor tehnologii de inteligență artificială cu un consum de energie mai redus. Sunt însă necesare studii suplimentare pentru integrarea dispozitivelor în sisteme complexe și pentru evaluarea utilizării lor în aplicații biomedicale.

⚠ Disclaimer: Informațiile prezentate de Medic24 au scop educativ și/sau informativ. Ele nu înlocuiesc consultul medical. Diagnosticul și tratamentul pot fi stabilite doar de un medic.