Ευρωπαίοι επιστήμονες δημιούργησαν τους πρώτους τεχνητούς νευρώνες

Πριν λίγους μήνες μια ομάδα ευρωπαίων επιστημόνων των πανεπιστημίων του Μπαθ, του Μπρίστολ, της Ζυρίχης και του Όκλαντ δημιούργησαν για πρώτη φορά τεχνητούς νευρώνες πάνω σε ένα τσιπ πυριτίου πλάτους λίγων χιλιοστών. Οι τεχνητοί νευρώνες από πυρίτιο μιμούνται με μεγάλη ακρίβεια τους πραγματικούς νευρώνες, όπως διαπιστώθηκε από πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε ζώα.

Σε άρθρο των ερευνητών που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature Communications, οι τεχνητοί νευρώνες είναι παρόμοιοι με τους φυσικούς νευρώνες και καταναλώνουν ελάχιστη ενέργεια. Πρόκειται για ένα μοναδικό επίτευγμα του είδους αυτού, με τεράστιες δυνατότητες για τη θεραπεία χρόνιων και εκφυλιστικών παθήσεων, όπως η καρδιακή ανεπάρκεια, η νόσος του Αλτσχάιμερ κ.λπ. Οι τεχνητοί νευρώνες δεν συμπεριφέρονται μόνο όπως οι βιολογικοί νευρώνες, αλλά χρειάζονται μόνο το ένα δισεκατομμυριοστό της ισχύος ενός μικροεπεξεργαστή και καθίστανται ιδανικοί για χρήση σε άλλες βιοηλεκτρονικές συσκευές.

Οι επιστήμονες προσπαθούσαν εδώ και καιρό να κατασκευάσουν τεχνητούς νευρώνες οι οποίοι θα μπορέσουν να ανταποκριθούν σωστά στην ηλεκτρική διέγερση του νευρικού συστήματος. Ο σχεδιασμός τεχνητών νευρώνων που ανταποκρίνονται στα ηλεκτρικά σήματα του νευρικού συστήματος, όπως οι πραγματικοί νευρώνες, είναι ένας σημαντικός στόχος για τους ερευνητές, καθώς ανοίγει τη δυνατότητα διόρθωσης των συνθηκών στις οποίες οι νευρώνες δεν λειτουργούν σωστά, όπως π.χ. στην περίπτωση σοβαρών τραυματισμών της σπονδυλικής στήλης. Οι τεχνητοί νευρώνες θα μπορούσαν να επιδιορθώσουν τα βιο-κυκλώματα που έχουν υποστεί ζημιά, αντιγράφοντας την υγιή λειτουργία τους και ανταποκρινόμενοι επαρκώς σε βιολογικές ανατροφοδοτήσεις για να αποκαταστήσουν την σωματική λειτουργία. Για παράδειγμα, στην καρδιακή ανεπάρκεια, οι νευρώνες στη βάση του εγκεφάλου δεν ανταποκρίνονται σωστά στην ανατροφοδότηση από το νευρικό σύστημα και ως εκ τούτου δεν στέλνουν τα σωστά σήματα στην καρδιά, η οποία συνεπώς δεν λειτουργεί όπως θα έπρεπε.  

Οι ερευνητές έκαναν χρήση περίπλοκων μαθηματικών εξισώσεων για να εξηγήσουν πώς οι νευρώνες ανταποκρίνονται σε ηλεκτρικά ερεθίσματα από άλλα νεύρα. Αυτό είναι αρκετά δύσκολο καθώς οι απαντήσεις είναι "μη γραμμικές". Στην πράξη, η αύξηση της ισχύος του σήματος δεν αντιστοιχεί σε μια παρόμοια και ίση αύξηση της αντίδρασης από την πλευρά του νευρώνα, που θα μπορούσε να αναπτύξει μια αντίδραση τρεις φορές πιο έντονη από το σήμα που ελήφθη. Με βάση αυτά τα μαθηματικά μοντέλα, σχεδίασαν τσιπς πυριτίου που μπόρεσαν να μιμηθούν με ακρίβεια τους πραγματικούς νευρώνες, ανταποκρινόμενοι σε μια σειρά διεγέρσεων.

Οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε νευρώνες αρουραίων (αυτές του ιππόκαμπου και αυτές που διέπουν την αναπνοή) και υποβλήθηκαν σε διαφορετικά ερεθίσματα. 

Alain Nogaret

"Μέχρι τώρα - εξήγησε ο Alain Nogaret του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου του Bath, ο οποίος ήταν επικεφαλής της έρευνας - οι νευρώνες ήταν σαν σκοτεινά κουτιά, αλλά κατορθώσαμε να τα ανοίξουμε και να δούμε το περιεχόμενό τους. Το έργο μας παρέχει μια ισχυρή μέθοδο αναπαραγωγής των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των πραγματικών νευρώνων λεπτομερώς ". "Οι νευρώνες - πρόσθεσε - χρειάζονται μόνο 140 νανοWatt ισχύος, δηλαδή το ένα δισεκατομμυριοστό από τις ενεργειακές ανάγκες ενός μικροεπεξεργαστή, γεγονός που τους καθιστά κατάλληλους για βιοηλεκτρονικά εμφυτεύματα για τη θεραπεία χρόνιων παθήσεων. Για παράδειγμα, ξεκινήσαμε να αναπτύσσουμε «έξυπνους» βηματοδότες  που όχι μόνο διεγείρουν την καρδιά ώστε να λειτουργεί με σταθερό ρυθμό, αλλά χρησιμοποιούν αυτούς τους νευρώνες για να ανταποκριθούν σε πραγματικό χρόνο στις απαιτήσεις που επιβάλλονται στην καρδιά - πράγμα που συμβαίνει φυσικά σε μια υγιή καρδιά. Άλλες πιθανές εφαρμογές θα μπορούσαν να είναι στη θεραπεία εκφυλιστικών ασθενειών όπως η νόσος του Alzheimer και νευροεκφυλιστικά νοσήματα γενικότερα".

Παύλος Γκάσταρης