Neuron nhân tạo này sử dụng Dopamine để giao tiếp với các tế bào não

Con chip mờ được gắn vào chân chuột trông chẳng khác gì một tế bào thần kinh. Được điểm xuyết bởi một loạt cảm biến và kênh và nhỏ hơn ngón tay người, nó trông — và uốn dẻo — giống như một chiếc Band-Aid. Tuy nhiên, khi được sử dụng dopamine, con chip đã phát huy tác dụng của nó. Chân chuột bắt đầu co giật và duỗi ra. Tùy thuộc vào liều lượng dopamine, con chip điều khiển tay chân giống như một chiếc tàu kéo.

Con chip này là một tế bào thần kinh nhân tạo, nhưng không giống như những con chip trước đây được chế tạo để bắt chước các tín hiệu điện của não. Thay vào đó, nó thông qua và điều chỉnh kênh giao tiếp khác của não: hóa chất.

Được gọi là chất dẫn truyền thần kinh, những hóa chất này là “ngôn ngữ tự nhiên” của não nói Tiến sĩ Benhui Hu tại Đại học Y Nam Kinh, Trung Quốc. Về lý thuyết, một tế bào thần kinh nhân tạo sử dụng ngôn ngữ hóa học có thể dễ dàng xâm nhập vào các mạch thần kinh — để điều khiển chân chuột, hoặc xây dựng một bộ phận giả hoặc cấy ghép thần kinh hoàn toàn mới do não điều khiển.

Một nghiên cứu mới dẫn đầu bởi Hu và Tiến sĩ Xiaodong Chen tại Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore, đã có một bước tiến dài trong việc kết nối liền mạch các tế bào thần kinh nhân tạo và sinh học thành một mạch bán sống. Được cung cấp bởi dopamine, thiết lập không phải là một cuộc gọi một chiều đơn giản trong đó một thành phần kích hoạt một thành phần khác. Thay vào đó, tế bào thần kinh nhân tạo hình thành một vòng lặp với nhiều đối tác sinh học, phát ra dopamine trong khi nhận phản hồi để thay đổi hành vi của chính nó.

Theo một cách nào đó, hệ thống này hoạt động giống như một interneuron, đóng vai trò là cơ quan ra quyết định trong não để tinh chỉnh các mạch thần kinh. Các tác giả cho biết: “Một phần lớn thông tin thông minh - bao gồm cả trí nhớ và cảm xúc - được mã hóa hoặc truyền đạt bởi các phân tử hóa học như chất dẫn truyền thần kinh, và chúng tôi muốn tạo ra một tế bào thần kinh nhân tạo mô phỏng cách một tế bào thần kinh thực giao tiếp.

Mặt khác của câu chuyện

Bạn đã nghe câu chuyện cổ điển về mạng nơ-ron. Một tế bào thần kinh nhận được một zap điện, nó sẽ di chuyển xuống các nhánh quanh co của nó. Nếu tín hiệu đủ mạnh, nó sẽ kích hoạt — hoặc làm suy giảm — nơ-ron tiếp theo, kết nối cả hai thành một mạng. Giáo điều khoa học thần kinh này, được phổ biến với tên gọi "các tế bào thần kinh hoạt động cùng nhau, kết nối với nhau", là cơ sở của nhiều chip thần kinh được xây dựng để đảo ngược thiết kế điện này để tính toán năng lượng thấp và hiệu quả cao.

Dữ liệu hoặc "bộ nhớ" của các hoạt động này được lưu trữ tại khớp thần kinh. Tôi thích tưởng tượng những cấu trúc phức tạp này như hai bờ sông với dòng chảy giữa chúng. Một ngân hàng là một phần của tế bào thần kinh gửi tín hiệu, ngân hàng kia là một phần của tế bào thần kinh nhận.

Nhưng điều gì giúp các tín hiệu vượt qua luồng?

Nhập chất dẫn truyền thần kinh. Khi một tế bào thần kinh tích hợp các tín hiệu điện tiếp nhận của nó, các xung sẽ đi xuống các nhánh cho đến khi chúng đạt đến khớp thần kinh. Tại đây, các tín hiệu chỉ dẫn hàng chục “chiếc thuyền” đang đậu — hình ảnh bong bóng xà phòng nhỏ — mỗi chiếc chứa đầy chất dẫn truyền thần kinh, phóng về phía bờ bên kia. Sau khi cập cảng, các hóa chất bốc ra khỏi thuyền để kích hoạt một tín hiệu điện khác trong tế bào thần kinh hạ nguồn. Và chu trình tiếp tục liên kết các mạng lưới phức tạp của não bộ.

Tính toán hóa học thường bị bỏ qua trong việc chế tạo các thiết bị cấy ghép thần kinh, nhưng chỉ tập trung vào các tín hiệu điện cũng giống như việc bỏ qua các tuyến đường vận chuyển hàng hóa xuyên đại dương khi lập kế hoạch các tuyến đường vận chuyển.

Nhóm nghiên cứu cho biết: “Sự không phù hợp này có thể dẫn đến việc giải thích sai thông tin nơ-ron được truyền đi.

Một tác phẩm nghệ thuật

Nghiên cứu mới đã giới thiệu lại lý luận hóa học vào các tế bào thần kinh nhân tạo. Chọn lọc qua một loạt các ứng cử viên dẫn truyền thần kinh tiềm năng, nhóm nghiên cứu về dopamine — một công cụ đa nhiệm thúc đẩy động lực, mã hóa phần thưởng và kiểm soát chuyển động — như ngôi sao của tế bào thần kinh nhân tạo.

Con chip này chứa ba thành phần chính bắt chước một tế bào thần kinh thực: nó cảm nhận dopamine, mã hóa tín hiệu kết quả bên trong một “khớp thần kinh” và giải phóng dopamine cho người hàng xóm của nó.

Phần đầu tiên là một cảm biến điện hóa có thể phát hiện dopamine ở mức sinh học. Được tạo ra từ các ống nano carbon với một lượng graphene oxide rắc vào, cấu trúc nano đặc biệt hiệu quả trong việc thu nhận các bit nhỏ dopamine trong môi trường của nó, ngay cả khi các hóa chất sinh học khác làm vẩn đục nước.

Sau khi được phát hiện, dữ liệu được truyền đến thành phần tiếp theo - một bộ nhớ - dưới dạng xung điện. Giống như khớp thần kinh, một memristor được tích hợp sẵn khả năng thay đổi sức đề kháng của nó tùy thuộc vào hoạt động trước đó — nghĩa là nó có một “bộ nhớ”. Điện trở càng cao, nó càng ít gửi tín hiệu điện về phía trước.

Thiết bị này nghe có vẻ kỳ lạ, nhưng hãy hình dung một chiếc bánh mì kẹp phô mai (rất đắt tiền). Hai miếng bánh mì được làm từ các hạt nano bạc và vàng, và “pho mát” là một loại protein tơ có tác dụng điều chỉnh sức đề kháng của memristor. Đó là một thiết lập gọn gàng: thành phần có thể hỗ trợ cả những thay đổi ngắn hạn và dài hạn trong “khớp thần kinh”, bắt chước những ký ức nhanh chóng lướt qua tâm trí bạn hoặc những ký ức khắc sâu vào não bộ.

Đó là một dấu hiệu của sự học hỏi. Các tác giả cho biết: “Điều này có nghĩa là hệ thống đã hình thành một kết nối mạnh mẽ hơn với các kích thích lặp đi lặp lại và sẽ nhạy cảm hơn với những kích thích quen thuộc so với những kích thích mới.

Sau đó đến phần thực sự hấp dẫn. Tùy thuộc vào sức đề kháng của nó, memristor có thể làm nóng hydrogel để nó giải phóng dopamine vào các kênh nano được khắc sẵn.

Đặt mọi thứ lại với nhau, con chip hoạt động giống như một tế bào thần kinh sinh học. Khi được kích thích bằng dopamine, nó tạo ra một tín hiệu điện được mã hóa tại “khớp thần kinh”. Nếu tín hiệu đủ mạnh, nó sẽ bơm dopamine sang các nước láng giềng.

Còn lại để làm gì? Kiểm tra nó với các tế bào thần kinh sống.

Cầu kết hợp sinh học

Trong lần kiểm tra sự tỉnh táo đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã đặt con chip bên trong một đĩa Petri gồm các tế bào có khả năng giải phóng dopamine, được gọi là PC12.

Bắt chước cách các tế bào thần kinh kích hoạt, chúng bơm vào một hỗn hợp mặn để kích hoạt các tế bào giải phóng dopamine. Giật mình “tỉnh giấc” vì dòng chảy đột ngột, tế bào thần kinh nhân tạo tăng vọt hoạt động, lần lượt bơm ra liều lượng dopamine của chính nó cho những người hàng xóm PC12. Sau khi được tắm bằng dopamine, các tế bào sinh học sẽ thay đổi dòng điện của chúng theo phản ứng (không ai khôn ngoan hơn khi hóa chất đến từ một tế bào thần kinh nhân tạo).

Loại chitchat thần kinh này tương tự như interneurons. Như tên gọi của chúng cho thấy, những tế bào thần kinh này hoạt động giống như các bậc thang, kết nối các mạng lưới thần kinh và giúp tinh chỉnh hoạt động của các mạch. Ở đây, nơron nhân tạo hoạt động như một interneuron — một “bộ điều khiển lưu lượng” có chức năng định hình các mạng nơ-ron và giữ cho hoạt động của chúng luôn ổn định.

Tiến thêm một bước nữa, nhóm tiếp theo buộc con chip vào dây thần kinh ở chân của một con chuột. Tùy thuộc vào mức độ dopamine, chân uốn cong như thể được kéo dài vào buổi sáng, lan rộng hơn khi chất hóa học tăng lên trên con chip. Trong một bằng chứng khác về khái niệm, nhóm nghiên cứu đã kết nối con chip với một bàn tay robot. Bằng cách điều chỉnh lượng dopamine trên con chip, nhóm nghiên cứu có thể điều khiển robot trong một “cái bắt tay” do hóa học gây ra — một cái nhấp nháy hướng xuống của cổ tay cơ học, chỉ được cung cấp bởi dopamine.

Đây không phải là lần đầu tiên các nhà khoa học tạo ra một tế bào thần kinh dựa trên hóa học. Trở lại 2020, một nhóm từ Stanford đã liên kết một tế bào thần kinh nhân tạo với những tế bào thần kinh sinh học cô lập, cho thấy rằng một tế bào thần kinh nhân tạo có thể lai với một tế bào sinh học sử dụng dopamine làm chất kích hoạt.

Sự khác biệt ở đây là khả năng phản hồi: thiết lập mới tạo thành một vòng lặp với các tế bào thần kinh, có khả năng nhận và giải phóng dopamine, đồng thời thay đổi “bộ nhớ” của mạng. Hiện tại, tế bào thần kinh nhân tạo hoạt động nhiều hơn như một "cầu nối đưa tin" có khả năng truyền thông tin. Việc thiết lập vẫn còn quá cồng kềnh đối với việc cấy ghép não, mặc dù các tác giả đang nghiên cứu để thu nhỏ từng thành phần và giảm tiêu thụ năng lượng.

Đối với các tác giả, các chip thần kinh hóa học và điện học không phải là một hay khác. Rốt cuộc, não cũng không.

“Chỉ số BMI hóa học như [giao diện não-máy] có thể bổ sung cho các chỉ số BMI về điện, có khả năng cho phép thông tin tế bào thần kinh được giải thích một cách chính xác và toàn diện để sử dụng trong các liệu pháp thần kinh, tương tác giữa người và máy và cấu tạo người máy, ”các tác giả cho biết.

Ảnh: ktsdesign / Shutterstock.com