Os neurônios artificiais em chips de silício que se comportam exatamente como os reais foram inventados pelos cientistas – uma conquista inédita com enorme alcance para dispositivos médicos para curar doenças crônicas, como insuficiência cardíaca, Alzheimer e outras doenças neurológicas de degeneração.
Criticamente, os neurônios artificiais não apenas se comportam como os neurônios biológicos, mas precisam apenas de um bilionésimo da potência de um microprocessador, tornando-os ideais para uso em implantes médicos e outros dispositivos bioeletrônicos.
A equipe de pesquisa, liderada pela Universidade de Bath e incluindo pesquisadores das universidades de Bristol, Zurique e Auckland, descreve os neurônios artificiais em um estudo publicado na Nature Communications.
Projetar neurônios artificiais que respondem a sinais elétricos do sistema nervoso como neurônios reais tem sido um objetivo importante na medicina há décadas, pois abre a possibilidade de curar condições em que os neurônios não estão funcionando adequadamente, tiveram seus processos interrompidos como na medula espinhal lesão ou morreram. Neurônios artificiais podem reparar biocircuitos doentes, replicando sua função saudável e respondendo adequadamente ao feedback biológico para restaurar a função corporal.
Na insuficiência cardíaca, por exemplo, os neurônios na base do cérebro não respondem adequadamente ao feedback do sistema nervoso; eles, por sua vez, não enviam os sinais corretos para o coração, que então não bombeia tão forte quanto deveria.
O professor Alain Nogaret descreve por que os neurônios artificiais desenvolvidos na Universidade de Bath têm esse potencial para tratar uma série de doenças, incluindo insuficiência cardíaca. Crédito: University of Bath
No entanto, o desenvolvimento de neurônios artificiais tem sido um imenso desafio, devido aos desafios da biologia complexa e às respostas neuronais difíceis de prever.
Os pesquisadores modelaram com sucesso e derivaram equações para explicar como os neurônios respondem a estímulos elétricos de outros nervos. Isso é incrivelmente complicado, pois as respostas são ‘não lineares’ – em outras palavras, se um sinal se torna duas vezes mais forte, não deve necessariamente provocar uma reação duas vezes maior – pode ser três vezes maior ou outra coisa.
Eles então projetaram chips de silício que modelavam com precisão os canais de íons biológicos, antes de provar que seus neurônios de silício imitavam com precisão neurônios vivos reais, respondendo a uma série de estímulos.
Os pesquisadores replicaram com precisão a dinâmica completa dos neurônios do hipocampo e neurônios respiratórios de ratos, sob uma ampla gama de estímulos.
O professor Alain Nogaret, do Departamento de Física da Universidade de Bath, liderou o projeto. Ele disse: “Até agora, os neurônios eram como caixas pretas, mas conseguimos abrir a caixa preta e espiar por dentro. Nosso trabalho está mudando de paradigma porque fornece um método robusto para reproduzir as propriedades elétricas de neurônios reais em detalhes minuciosos.
“Mas é mais amplo que isso, porque nossos neurônios precisam apenas de 140 nanoWatts de potência. Isso é um bilionésimo do requisito de potência de um microprocessador, usado por outras tentativas de produzir neurônios sintéticos. Isso torna os neurônios adequados para implantes bioeletrônicos doenças crônicas.
“Por exemplo, estamos desenvolvendo marcapassos inteligentes que não apenas estimulam o coração a bombear a um ritmo constante, mas usam esses neurônios para responder em tempo real às demandas impostas ao coração – o que acontece naturalmente em um coração saudável. possíveis aplicações poderiam ser no tratamento de doenças como Alzheimer e doenças degenerativas neuronais de maneira mais geral.
“Nossa abordagem combina várias descobertas. Podemos estimar com precisão os parâmetros precisos que controlam o comportamento de qualquer neurônio com alta certeza. Criamos modelos físicos do hardware e demonstramos sua capacidade de simular com êxito o comportamento de neurônios vivos reais. Nossa terceira descoberta é a versatilidade do nosso modelo, que permite a inclusão de diferentes tipos e funções de uma variedade de neurônios mamíferos complexos “.
O professor Giacomo Indiveri, co-autor do estudo, da Universidade de Zurique e da ETF de Zurique, acrescentou: “Este trabalho abre novos horizontes para o design de chips neuromórficos, graças à sua abordagem exclusiva para identificar parâmetros cruciais de circuitos analógicos”.
Outro co-autor, o professor Julian Paton, fisiologista da Universidade de Auckland e da Universidade de Bristol, disse: “Replicar a resposta dos neurônios respiratórios em bioeletrônica que podem ser miniaturizados e implantados é muito emocionante e abre enormes oportunidades para médicos mais inteligentes”. dispositivos que direcionam abordagens de medicina personalizada a uma variedade de doenças e deficiências “.”
Publicado em 10/12/2019
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