Bionic Neurons Developed To Fight Chronic Brain Conditions

In the not too distant future, medical devices fitted with artificial neurons could be used in the battle against Alzheimer’s and other degenerative neurological conditions.
Scientists from the University of Bath and the University of Bristol in the UK have developed a first-of-its-kind silicon chip that behaves just like a brain cell, capable of registering and responding to electrical signals from the nervous system with all the complexity of a mammal’s neurons. Furthermore, it’s extremely efficient and requires very little electricity to work its magic.
Simply put, the language of the brain is essentially electrical signals being fired “on and off” by neurons, not too dissimilar to the binary nature of electronics. The newly developed bionic neuron takes note of the electrical properties of organic brain cells and applies them to a small synthetic circuit board.
“Until now neurons have been like black boxes, but we have managed to open the black box and peer inside. Our work is paradigm-changing because it provides a robust method to reproduce the electrical properties of real neurons in minute detail,” Professor Alain Nogaret, lead author from the University of Bath Department of Physics, explained in a statement.
„But it’s wider than that, because our neurons only need 140 nanoWatts of power. That’s a billionth the power requirement of a microprocessor, which other attempts to make synthetic neurons have used. This makes the neurons well suited for bio-electronic implants to treat chronic diseases.”
Reporting in the journal Nature Communications, the team mimicked the way mammalian neurons work by studying the activity of different types of neurons in rats under a range of stimuli. This data was then used to program the small analog electronic circuit. One of the main challenges in doing this is the „non-linear” nature of neural responses. For example, the reaction from a neuron might not necessarily be twice as strong just because the signal it receives is twice as strong.
Nevertheless, the multi-disciplined team used their expertise in physics, neuroscience, and medicine to jump these hurdles. The result was a tiny electrical circuit that can recreate the behavior of an organic neuron with 94-97 percent accuracy.
According to the researchers, the knowledge gained from this study could potentially be used as bio-electronic implants to replace damaged neuron circuits associated with a range of neurological conditions.
“We’re developing smart pacemakers that won’t just stimulate the heart to pump at a steady rate but use these neurons to respond in real-time to demands placed on the heart – which is what happens naturally in a healthy heart,” added Professor Nogaret. “Other possible applications could be in the treatment of conditions like Alzheimer’s and neuronal degenerative diseases more generally.”
Physics-Astronomy.org
În viitorul nu prea îndepărtat, dispozitivele medicale dotate cu neuroni artificiali vor putea fi utilizate în lupta împotriva Alzheimerului și a altor afecțiuni neurologice degenerative.
Oamenii de știință de la Universitatea din Bath și Universitatea din Bristol din Marea Britanie au dezvoltat un prim cip de siliciu care se comportă la fel ca o celulă creierului, capabilă să înregistreze și să răspundă semnalelor electrice din sistemul nervos având întreaga complexitate a neuronilor unui mamifer. În plus, este extrem de eficient și necesită foarte puțină energie electrică pentru a-și face magia.
Mai simplu spus, limbajul creierului constă în semnale electrice care sunt „pornite și oprite” de către neuroni, nu prea diferite de natura binară a electronicii. Neuronul bionic nou dezvoltat ia notă de proprietățile electrice ale celulelor organice ale creierului și le aplică pe o placă de circuite sintetice mici.
„Până acum neuronii au fost ca niște cutii negre, dar am reușit să deschidem cutia neagră și să-i  examinăm interiorul. Lucrarea noastră se schimbă în paradigmă, deoarece oferă o metodă robustă pentru a reproduce în detaliu proprietățile electrice ale neuronilor reali ”, a explicat profesorul Alain Nogaret, autorul principal al studiului Departamentului de Fizică al Universității din Bath.
„Dar este mai mult decât atât, deoarece neuronii noștri au nevoie doar de 140 nanoWati de putere. Aceasta este o miliardime din necesarul de putere al unui microprocesor, pe care au încercat să-l folosească alte încercări de a realiza neuronii sintetici. Acest lucru face ca neuronii să fie mai potriviți pentru implanturile bio-electronice în cazul bolilor cronice.”
Raportând în jurnalul Nature Communications, echipa a dezvăluit că a imitat modul în care funcționează neuronii mamiferelor studiind activitatea diferitelor tipuri de neuroni la șobolani, sub o serie de stimuli. Aceste date au fost apoi folosite pentru a programa micul circuit electronic analogic. Una dintre principalele provocări în acest sens este natura „neliniară” a răspunsurilor neuronale. De exemplu, reacția unui neuron poate să nu fie neapărat de două ori mai puternică doar pentru că semnalul pe care îl primește este de două ori mai puternic.
Cu toate acestea, echipa multi-disciplină și-a folosit expertiza în fizică, neuroștiință și medicină pentru a sari peste aceste obstacole. Rezultatul a fost un mic circuit electric care poate recrea comportamentul unui neuron organic cu o precizie de 94-97 la sută.
Potrivit cercetătorilor, cunoștințele obținute în urma acestui studiu ar putea fi utilizate ca implanturi bio-electronice pentru a înlocui circuitele neuronale deteriorate asociate cu o serie de afecțiuni neurologice.
„Dezvoltăm stimulatoare cardiace inteligente care nu vor stimula  inima să pompeze doar într-un ritm constant, ci să folosească acești neuroni pentru a răspunde în timp real la cerințele impuse inimii (funcție de efortul organismului) – ceea ce se întâmplă în mod natural într-o inimă sănătoasă”, a adăugat Profesor Nogaret. „Alte aplicații posibile ar putea fi în general în tratamentul unor afecțiuni precum Alzheimer și bolile degenerative neuronale.”
                                                                              ***

Autor:

Fiind geamăn cu ascendant în săgetător sunt un extrovertit spre coleric de o curiozitate excesivă, perfecționist păgubos, împrăștiat, superficial, agnostic... și nimic din ce-i omenesc nu mi-e străin.

Lasă un răspuns

Completează mai jos detaliile tale sau dă clic pe un icon pentru a te autentifica:

Logo WordPress.com

Comentezi folosind contul tău WordPress.com. Dezautentificare /  Schimbă )

Fotografie Google

Comentezi folosind contul tău Google. Dezautentificare /  Schimbă )

Poză Twitter

Comentezi folosind contul tău Twitter. Dezautentificare /  Schimbă )

Fotografie Facebook

Comentezi folosind contul tău Facebook. Dezautentificare /  Schimbă )

Conectare la %s