Memrystory szansą na precyzyjniejsze i przystępniejsze neuroprotezy
Monitorowanie aktywności komórki nerwowej ma zasadnicze znaczenie dla neuronauki i rozwoju neuroprotetyki, jednak ustawicznie trudności sprawia skuteczne przetwarzanie danych neuronalnych przez urządzenia w czasie rzeczywistym, co z kolei narzuca ograniczenia na szerokość pasma, energię i zdolności obliczeniowe. Kluczem do rozwiązania tego problemu, zdaniem naukowców pracujących nad projektem RAMP (Real neurons-nanoelectronics Architecture with Memristive Plasticity) mogą być memrystory. To elektroniczne komponenty, które ograniczają lub regulują przepływ prądu elektrycznego w obwodzie i są w stanie zapamiętywać wielkość ładunku, która przez nie przepłynęła oraz zachować dane nawet po wyłączeniu zasilania. Zasadniczo pełnią rolę zbliżoną do synaps i posiadają samoistną zdolność do jednoczesnego wykonywania zadań obliczeniowych i przechowywania informacji przy mocno obniżonych objętościach i stracie mocy. Naczelna autorka, Isha Gupta, doktorantka na Uniwersytecie w Southampton, zauważyła: „Nasze prace wnoszą znaczący wkład w dalsze pogłębianie wiedzy neuronaukowej oraz rozwój neuroprotetyki i medycyny bioelektronicznej poprzez budowanie narzędzi nieodzownych do interpretowania dużych zbiorów danych w bardziej efektywny sposób”. Zespół badawczy opracował memrystywny czujnik integrujący (Memristive Integrative Sensor: MIS) w nanoskali, do którego wprowadził serie próbek napięcie-czas, odtwarzających aktywność elektryczną komórek nerwowych. Funkcjonując jak synapsy komórek mózgowych, czujniki MIS metal-tlenek były podobno w stanie kodować i kompresować (aż 200-krotnie) aktywność komórek nerwowych rejestrowaną za pomocą matryc wieloelektrodowych. Naukowcy zapewniają, że prócz uporania się z ograniczeniami szerokości pasma, to podejście jest niezwykle energooszczędne, gdyż zasilanie niezbędne dla każdego kanału zapisywania było 100-krotnie niższe w porównaniu do najlepszych na dzień dzisiejszy praktyk. „Cieszymy się, że udało nam się dowieść, iż te powstające nanourządzenia, mimo dosyć prostej architektury, posiadają przebogatą dynamikę, która prócz oczywistych zastosowań pamięciowych może zaoferować rozwiązanie podstawowych ograniczeń szerokości pasma i mocy, uniemożliwiających obecnie skalowanie interfejsów neuronowych powyżej 1 000 kanałów zapisywania” – stwierdził współautor, dr Themis Prodromakis. Prace podjęte przez zespół RAMP dają wielką nadzieję na postępy w leczeniu wielu różnych chorób i schorzeń, w przypadku których opracowanie zaawansowanych neuroprotez stwarza szansę na znaczne złagodzenie objawów i poprawę jakości życia chorych. Jednym z największych wyzwań w tym zakresie jest to, by neuroprotezy zapewniały „poczucie” bycia częścią ciała pacjenta, a w przypadku tych umieszczanych w środku określonych części ciała, aby były nieinwazyjne. Za pośrednictwem konsorcjum RAMP, inżynierowie z Southampton byli w stanie połączyć siły z biologami z Uniwersytetu w Padwie, Włochy, i Instytutu Maxa Plancka w Niemczech, wykorzystując obiekty Ośrodka Nanoprodukcji w Southampton. Artykuł ukazał się w czasopiśmie »Nature Communications«. Prace nad projektem RAMP, który otrzymał nieco ponad 2 mln EUR dofinansowania ze środków UE, mają zostać sfinalizowane wraz z końcem października 2016 r. Więcej informacji: witryna projektu
Kraje
Włochy