Sztuczne komórki nerwowe mogłyby leczyć przewlekłe choroby
Dzięki potencjalnej możliwości dostarczania nowych informacji potrzebnych do diagnozowania i leczenia tak różnych chorób jak rak, choroby sercowo-naczyniowe czy choroby neurodegeneracyjne, medycyna bioelektroniczna jest obecnie w centrum uwagi. Łącząc różne dziedziny, w tym biochemię, medycynę molekularną, neuronaukę, immunologię, inżynierię elektryczną i mechaniczną, informatykę oraz matematykę, medycyna bioelektroniczna koncentruje się na sygnalizacji elektrycznej w układzie nerwowym. Naukowcy zajmujący się tą dziedziną wykorzystują już takie informacje do tworzenia urządzeń biomedycznych, dogłębnie badając skomplikowane sieci neuronowe. Tworzenie sztucznych neuronów było do tej pory skomplikowane ze względu na wyzwania związane ze złożoną biologią i trudnymi do przewidzenia odpowiedziami neuronalnymi. Wyzwanie to podjął zespół badaczy pracujących w ramach współfinansowanego ze środków UE projektu CResPace. Zaprojektował on sztuczne neurony na chipach krzemowych, które precyzyjnie naśladują prawdziwe, żywe komórki nerwowe reagujące na szereg bodźców. Wyniki przeprowadzonych badań ukazały się w czasopiśmie „Nature Communications”. „Nasze podejście łączy w sobie kilka przełomowych odkryć, które otwierają nowe horyzonty dla inżynierii neuromorficznej, począwszy od programowania komputerów analogowych po miękkie bioimplanty”.
Idealne do implantów medycznych
Wyniki badania podsumowane zostały w komunikacie prasowym opublikowanym przez koordynatora projektu CResPace, Uniwersytet w Bath. „Sztuczne neurony nie tylko zachowują się jak neurony biologiczne, ale potrzebują tylko jednej miliardowej mocy mikroprocesora, dzięki czemu idealnie nadają się do wykorzystania w implantach medycznych i innych urządzeniach bioelektronicznych”. W komunikacie prasowym czytamy: „Sztuczne neurony mogą naprawiać chore obwody biologiczne, replikując ich zdrowe funkcje i odpowiednio reagując na biologiczne sprzężenie zwrotne w celu przywrócenia funkcji organizmu. Na przykład w przypadku niewydolności serca neurony w podstawie mózgu nie reagują prawidłowo na sprzężenie zwrotne w układzie nerwowym, co z kolei sprawia, że nie wysyłają odpowiednich sygnałów do serca, które w związku z tym nie pompuje krwi tak mocno, jak powinno”. W komunikacie prasowym podkreślono także wyzwania związane z tworzeniem sztucznych neuronów i wyjaśniono, w jaki sposób naukowcy sobie z nimi poradzili. „Naukowcom udało się stworzyć modele i wyprowadzić równania w celu wyjaśnienia, w jaki sposób neurony reagują na bodźce elektryczne z innych nerwów. Jest to niezwykle skomplikowane, ponieważ reakcje te są »nielinearne«. Inaczej mówiąc, jeśli sygnał staje się dwa razy silniejszy, niekoniecznie musi wywoływać dwukrotnie silniejszą reakcję. Reakcja może być trzy razy silniejsza lub zupełnie inna”. Cytowany w tym samym komunikacie prasowym główny autor badania, prof. Alain Nogaret z Uniwersytetu w Bath, mówi: „Nasza praca zmienia cały paradygmat, ponieważ oferuje niezawodną metodę reprodukcji właściwości elektrycznych prawdziwych neuronów w najdrobniejszych szczegółach”. Dodaje także, że zespół „opracowuje inteligentne rozruszniki serca, które nie tylko stymulują serce do pompowania krwi w tym samym tempie, ale wykorzystują te neurony do reagowania w czasie rzeczywistym na wymagania stawiane sercu, co dzieje się naturalnie w przypadku zdrowego organu. Inne potencjalne zastosowania to leczenie takich schorzeń jak choroba Alzheimera czy choroby zwyrodnieniowe neuronów”. Projekt CResPace (Adaptive Bio-electronics for Chronic Cardiorespiratory Disease), który wspierał badanie, ma się zakończyć w grudniu 2021 r. Kluczowe zastosowanie technologii opracowanej w ramach projektu obejmuje adaptacyjną resynchronizację serca opartą na małych sieciach neuronowych znanych jako centralne generatory wzorców. Te neuronalne obwody kontrolują kilka funkcji, na przykład oddychanie i bicie serca oraz koordynację mięśni odpowiedzialnych za połykanie. Zespół wykorzystuje centralne generatory wzorców z fizycznym sprzętem w celu odtworzenia naturalnej kontroli tętna i ponownej synchronizacji komór serca. Partnerzy projektu CResPace mają nadzieję, że przedłuży i poprawi on jakość życia pacjentów. Więcej informacji: strona projektu CResPace
Kraje
Zjednoczone Królestwo