Нейроны сложным образом взаимодействуют и реагируют на стимулы внутри обширной сети, управляя важными функциями — от основных телесных процессов до сложных мыслей. Традиционные методы нейробиологии, основанные на электрофизиологии in vivo (внутри живого организма), часто не могут справиться со сложностью мозга в целом.
Альтернативный подход предполагает извлечение клеток из организма и вместо этого проведение исследований на культуральной чашке (in vitro), предоставляя исследователям улучшенный контроль и точность измерения нервных процессов.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Advanced Science, исследователи представляют экономичную систему in vitro с открытым исходным кодом для взаимодействия с нейронами, предлагающую более доступный путь для исследователей, интересующихся нейронными взаимодействиями.
Исследование является частью более крупного проекта под названием Mind in Vitro, который исследует, как нейроны взаимодействуют друг с другом, не только для лучшего понимания функций, лежащих в основе сложных систем, таких как мозг, но и с целью в конечном итоге использования нейронных сетей in vitro для вычислений. . Для достижения этой цели проект MiV объединяет междисциплинарную группу исследователей, в том числе специалистов в области информатики, инженерии, нейробиологии, физиологии и т. д.
«Цель проекта MiV — в конечном итоге использовать нейроны для вычислений», — объяснил Чжи (Эндрю) Доу, аспирант лаборатории Газзолы, который помогал руководить проектом. «Это позволит создать систему, которая будет динамичной и постоянно развивающейся, в отличие от традиционных вычислительных систем, а также будет более энергоэффективной».
Новое исследование MiV, возглавляемое Маттиа Газзолой (M-CELS), доцентом кафедры механических наук и инженерии, Сяотяном Чжаном, научным сотрудником лаборатории Газзолы, и Доу, описывает инновационный подход к измерению активности нейронов с использованием матрицы микроэлектродов. (МЭА) технология. Хотя существуют коммерческие системы, использующие подобную технологию, они зачастую дороги и ориентированы на конкретные экспериментальные подходы.
«Проблема нынешних технологий взаимодействия с нейронами заключается в том, что это в основном коммерческие системы, которые более стандартизированы для конкретных условий тестирования, как правило, в рамках биохимии или традиционной нейробиологии», — сказал Чжан. «Поскольку мы заинтересованы в разработке парадигм вычислений на основе живых клеток, нашей мотивацией для этого было отойти от более стандартизированных коммерческих систем и создать что-то самостоятельно, над чем мы могли бы иметь полный контроль».
В новом аппарате MiV клетки помещаются на пластину, содержащую МЭА, что позволяет технологии взаимодействовать с нервными субстратами. Электроды улавливают напряжение нейронов, это напряжение усиливается и отправляется на компьютер, который затем обрабатывает данные.
По сравнению со стандартной коммерческой системой с 60 электродами, система MiV может похвастаться более чем 500 электродами, что позволяет собирать больше данных одновременно. Система также включает в себя улучшенные и/или новые функции по сравнению с коммерческими системами, такие как портативность, двунаправленная связь с нейронами, возможность получения изображения нейронов во время записи, а также возможность тестировать несколько типов входных данных (электрических и оптических) и множество клеточных популяций одновременно.
Несмотря на эти усовершенствования, стоимость создания системы MiV в 10 раз дешевле, чем стоимость коммерческой системы, и ее можно полностью настраивать. Чтобы способствовать распространению системы, исследователи сделали свои аппаратные и программные модели для системы MiV открытыми и бесплатными в Интернете.
« Для нас было очень важно, чтобы наше программное и аппаратное обеспечение было с открытым исходным кодом », — сказал Чжан. «Мы хотели снизить стоимость, чтобы сделать эту технологию доступной для других, и сделать ее более гибкой и универсальной, чтобы исследователи могли действительно настраивать свои экспериментальные настройки в соответствии со своими потребностями. Наша система предназначена не только для одной лаборатории или одной группы. людей, заинтересованных в одной конкретной вещи, это для всех».
«Мы разработали нашу систему так, чтобы ее было очень легко изготовить и она состояла из недорогих деталей, что позволит множеству лабораторий, которые не могут позволить себе коммерческую систему, иметь собственную систему», — сказал Доу. «Несмотря на то, что первоначальный дизайн предназначен для вычислительных исследований, мы сделали структуру легко перепроектируемой и расширяемой, поэтому мы почти уверены, что это удовлетворит исследователей, независимо от того, какие исследования они хотят проводить».
Исследователи говорят, что другие лаборатории уже проявляют интерес к новой технологии для своих собственных экспериментов. Команда MiV планирует продолжать совершенствовать конструкцию, чтобы сделать оборудование более автоматизированным и доступным, а также изучить способы количественной оценки и расширения производительности технологии.
Теги: биотехнологии, ИИ, киборг
