Dit kunstmatige neuron gebruikt dopamine om te communiceren met hersencellen

De doorschijnende chip die aan het been van de muis was bevestigd, leek in niets op een neuron. Bezaaid met een reeks sensoren en kanalen en kleiner dan een menselijke vinger, leek het - en gebogen - als een pleister. Maar toen hij werd overgoten met dopamine, werkte de chip zijn magie. Het been van de muis begon te trillen en uit te rekken. Afhankelijk van de dosis dopamine bestuurde de chip het ledemaat als een marionet.

De chip is een kunstmatig neuron, maar niets lijkt op eerdere chips die zijn gebouwd om de elektrische signalen van de hersenen na te bootsen. In plaats daarvan adopteert en past het het andere communicatiekanaal van de hersenen aan: chemicaliën.

Deze chemicaliën worden neurotransmitters genoemd en zijn de 'natuurlijke taal' van de hersenen. zei Dr. Benhui Hu aan de Nanjing Medical University in China. Een kunstmatig neuron dat een chemische taal gebruikt, zou in theorie gemakkelijk neurale circuits kunnen aanboren, bijvoorbeeld om het been van een muis te besturen of een geheel nieuwe familie van hersengestuurde protheses of neurale implantaten te bouwen.

Een nieuwe studie onder leiding van Hu en Dr. Xiaodong Chen van de Nanyang Technological University, Singapore, heeft een grote stap gezet om kunstmatige en biologische neuronen naadloos met elkaar te verbinden tot een semi-levend circuit. Aangedreven door dopamine, was de opzet geen eenvoudig eenrichtingsgesprek waarbij de ene component een andere activeerde. In plaats daarvan vormde het kunstmatige neuron een lus met meerdere biologische tegenhangers, waarbij dopamine werd uitgestoten terwijl het feedback ontving om zijn eigen gedrag te veranderen.

In zekere zin werkt het systeem als een interneuron, dat dient als een beslisser in de hersenen om neurale circuits te verfijnen. "Een groot deel van de intelligente informatie - inclusief geheugen en emotie - wordt gecodeerd in of overgebracht door chemische moleculen zoals neurotransmitters, en we wilden een kunstmatig neuron bouwen dat nabootst hoe een echt neuron communiceert", aldus de auteurs.

De andere kant van het verhaal

Je hebt vast wel eens gehoord van dit klassieke verhaal over neurale netwerken. Een neuron ontvangt een elektrische zap, die langs zijn kronkelige takken reist. Als het signaal sterk genoeg is, wordt het volgende neuron geactiveerd - of ingedrukt - en worden de twee in een netwerk aangesloten. Dit neurowetenschappelijke dogma, gepopulariseerd als 'neuronen die samen vuren, samen verbinden', is de basis van vele neuromorfe chips gebouwd om deze elektrische eigenaardigheid te reverse-engineeren voor energiezuinige en zeer efficiënte berekeningen.

De gegevens of het "geheugen" van deze activiteiten worden opgeslagen op synapsen. Ik stel me deze ingewikkelde structuren graag voor als twee rivieroevers met een stroom ertussen. De ene bank maakt deel uit van het neuron dat signalen verzendt, de andere maakt deel uit van het ontvangende neuron.

Maar wat helpt signalen de stroom over te steken?

Voer neurotransmitters in. Zodra een neuron zijn ontvangende elektrische signalen integreert, gaan de pulsen door de takken totdat ze een synaps bereiken. Hier instrueren de signalen tientallen geparkeerde "boten" - beeld kleine zeepbellen - elk gevuld met neurotransmitters, om naar de andere oever te varen. Eenmaal aangemeerd, worden de chemicaliën uit de boten gelost om een ​​ander elektrisch signaal in het stroomafwaartse neuron te activeren. En de cyclus blijft de ingewikkelde netwerken van de hersenen met elkaar verbinden.

Chemische berekeningen worden vaak genegeerd bij het maken van neurale implantaten, maar alleen focussen op elektrische signalen is als het negeren van transoceanische vrachtroutes bij het plannen van scheepvaartroutes.

"Deze mismatch kan mogelijk leiden tot een onjuiste interpretatie van de verzonden neuroninformatie", zei het team, mogelijk leidende herseninterfaces op een dwaalspoor.

Een kunstwerk

De nieuwe studie introduceerde chemisch redeneren opnieuw in kunstmatige neuronen. Het team doorzocht een hele reeks potentiële neurotransmitterkandidaten en verdiepte zich in dopamine - een multitasker die motivatie stimuleert, beloningen codeert en beweging controleert - terwijl de ster van het kunstmatige neuron.

De chip bevat drie hoofdcomponenten die een echt neuron nabootsen: het detecteert dopamine, codeert het resulterende signaal in een "synaps" en geeft dopamine af aan zijn buurman.

Het eerste deel is een elektrochemische sensor die dopamine op biologische niveaus kan detecteren. Gemaakt van koolstofnanobuisjes met een dosis grafeenoxide erin gestrooid, is de nanostructuur bijzonder efficiënt in het oppikken van kleine stukjes dopamine in zijn omgeving, zelfs met andere biologische chemicaliën die het water vertroebelen.

Eenmaal gedetecteerd, worden de gegevens als een elektrische puls naar de volgende component - een memristor - verzonden. Net als een synaps heeft een memristor een ingebouwd vermogen om zijn weerstand te veranderen, afhankelijk van eerdere activiteit - dat wil zeggen, hij heeft een 'geheugen'. Hoe hoger de weerstand, hoe minder het elektrische signalen verder kan sturen.

Het toestel klinkt misschien exotisch, maar stel je een (heel duur) broodje kaas voor. De twee sneetjes brood zijn gemaakt van zilveren en gouden nanodeeltjes en de 'kaas' is een zijde-eiwit dat de weerstand van de memristor afstemt. Het is een nette opzet: het onderdeel kan zowel korte- als langetermijnveranderingen in de 'synaps' ondersteunen, waarbij herinneringen worden nagebootst die je snel in je hoofd glippen of die in de hersenen zijn geëtst.

Het is een teken van leren. "Dit betekent dat het systeem een ​​sterkere verbinding heeft gevormd met herhaalde stimuli en gevoeliger zal zijn voor bekende stimuli in vergelijking met nieuwe," aldus de auteurs.

Dan komt het echt coole deel. Afhankelijk van zijn weerstand kan de memristor een hydrogel opwarmen zodat deze dopamine afgeeft in voorgeëtste nanokanalen.

Door alles samen te voegen, gedraagt ​​de chip zich als een biologisch neuron. Wanneer het wordt gestimuleerd met dopamine, genereert het een elektrisch signaal dat wordt gecodeerd in de "synaps". Als het signaal sterk genoeg is, pompt het dopamine naar zijn buren.

Wat valt er nog te doen? Test het uit met levende neuronen.

Een biohybride brug

Als een eerste sanity check plaatste het team de chip in een petrischaaltje met cellen met het vermogen om dopamine af te geven, genaamd PC12.

Ze bootsten na hoe neuronen activeren en pompten een zoute mix in die de cellen activeerde om dopamine af te geven. Geschrokken "wakker" van de plotselinge instroom, piekte het kunstmatige neuron van activiteit, en pompte op zijn beurt zijn eigen dosis dopamine naar zijn PC12-buren. Eenmaal gebaad met dopamine, veranderden de biologische cellen hun elektrische stroom als reactie (niet de wijzer dat de chemische stof afkomstig was van een kunstmatig neuron).

Dit type neuraal geklets is vergelijkbaar met interneuronen. Zoals hun naam al doet vermoeden, gedragen deze neuronen zich als sporten op een ladder, ze verbinden neurale netwerken met elkaar en helpen de activiteit van de circuits te verfijnen. Hier gedroeg het kunstmatige neuron zich als een interneuron - een soort "verkeersleider" die neurale netwerken vormt en hun activiteit in lijn houdt.

Het team ging nog een stap verder en bond vervolgens de chip vast aan een zenuw in het been van een muis. Afhankelijk van het dopamineniveau spande het been zich alsof het een ochtendstrekoefening was, en spreidde het zich verder uit naarmate de chemische stof op de chip toenam. In een andere proof of concept koppelde het team de chip aan een robothand. Door de hoeveelheid dopamine op de chip te veranderen, kon het team de robot besturen met een chemisch geïnduceerde ‘handdruk’ – een neerwaartse beweging van de mechanische pols, uitsluitend aangedreven door dopamine.

Het is niet de eerste keer dat wetenschappers een chemisch gebaseerd neuron hebben ontwikkeld. Terug in 2020, koppelde een team uit Stanford een kunstmatig neuron aan geïsoleerde biologische, wat aantoont dat een kunstmatig neuron kan hybridiseren met een biologisch neuron dat dopamine als trigger gebruikt.

Het verschil hier is het vermogen tot feedback: de nieuwe opstelling vormt een lus met neuronen, die dopamine kunnen ontvangen en afgeven, terwijl het "geheugen" van het netwerk verandert. Voorlopig fungeert het kunstmatige neuron meer als een "boodschapperbrug" die informatie kan verzenden. De opstelling is nog steeds te omvangrijk voor hersenimplantaten, hoewel de auteurs werken aan het verkleinen van elk onderdeel en het verminderen van het energieverbruik.

Voor de auteurs zijn chemische en elektrische neuromorfe chips niet het een of het ander. De hersenen zijn dat immers ook niet.

“Dergelijke chemische BMI’s [hersen-machine-interfaces] zou een aanvulling kunnen zijn op elektrische BMI's, waardoor neuronale informatie mogelijk correct en volledig kan worden geïnterpreteerd voor gebruik in neuroprotheses, mens-machine-interacties en cyborgconstructie", aldus de auteurs.

Krediet van het beeld: ktsontwerp / Shutterstock.com