Kronik rahatsızlıkları iyileştirmek için yapay nöron geliştirildi
Araştırmacılar ilk kez biyolojik nöronların elektriksel özelliklerini yarı iletken yongalar üzerinde başarıyla yeniden ürettiler.
Çalışma Avrupa Birliği Horizon 2020 Gelecek Gelişmekte Olan Teknolojiler Programı hibesi ve Mühendislik ve Fiziksel Bilimler Araştırma Konseyi (ESPRC) tarafından finanse edilen bir doktora öğrencisi tarafından finanse edildi.
Tıpkı gerçek gibi davranan silikon çiplerdeki yapay nöronlar, bilim adamları tarafından icat edildi. Söz konusu çipleri İngiltere’deki Bath Üniversitesi öncülüğündeki bilim adamları icat etti.
Kritik olarak yapay nöronlar sadece biyolojik nöronlar gibi davranmakla kalmıyor, aynı zamanda bir mikroişlemcinin gücünün milyarda birine ihtiyaç duyuyor ve tıbbi implantlarda ve diğer biyo-elektronik cihazlarda kullanım için ideal durumda.
Çalışma, epilepsi, alzheimer gibi rahatsızlıkların tedavisi için umut verici gelişme niteliği de taşıyor.
Bath Üniversitesi liderliğindeki ve Bristol, Zürih ve Auckland Üniversitelerinden araştırmacıları içeren araştırma ekibi, Yapay Sinirleri, Nature Communications’da yayınlanan bir çalışmada açıkladı.
Sinir sisteminden elektrik sinyallerine gerçek nöronlar gibi tepki veren yapay nöronların tasarlanması tıpta önemli bir amaç olmuştur. Omurilik yaralanmaları sonucu veya farklı nedenlerde beynin bölgelerdeki nöronların düzgün çalışmadığı durumlarda koşulların iyileştirilmesi olasılığını ortaya koyduğu için tıpta onlarca yıldır tıpta önemli bir amaç olmuştur. Yapay nöronlar, hastalıklı biyolojik devreleri, sağlıklı işlevlerini çoğaltarak ve bedensel işlevi geri getirmek için biyolojik devrelere geri bildirimi yeterli ölçüde yanıt vererek çözüm olabilir.
Örneğin, kalp yetmezliğinde, beynin tabanındaki nöronlar sinir sistemi geri bildirimlerine doğru şekilde yanıt vermezler, sırayla kalbe doğru sinyaller göndermezler, o zaman olması gerektiği kadar sert pompalamazlar.
Bununla birlikte, yapay nöronların geliştirilmesi, karmaşık biyolojinin zorlukları ve tahmin etmesi zor olan nöronal tepkiler nedeniyle büyük bir zorluk olmuştur.
Araştırmacılar, nöronların diğer sinirlerden gelen elektriksel uyaranlara nasıl tepki verdiklerini açıklamak için denklemleri başarılı bir şekilde modelledi ve çıkardılar. Yanıtlar ‘doğrusal olmayan’ olduğu için bu inanılmaz derecede karmaşıktır – başka bir deyişle, bir sinyal iki kat daha güçlü olursa, mutlaka iki kat daha büyük bir reaksiyon ortaya çıkarmaması gerekir – üç kat daha büyük veya başka bir şey olabilir.
Ardından, biyolojik nöronlarının, bir dizi uyarıma yanıt veren gerçek, canlı nöronları tam olarak taklit ettiğini kanıtlamadan önce, biyolojik iyon kanallarını doğru bir şekilde modelleyen silikon çipleri tasarladılar.
Araştırmacılar, hipokampal nöronların ve solunum nöronlarının tam dinamiklerini, geniş bir uyaran aralığı altında, farelerden tam olarak kopyaladılar.
Eğer bunu insanlar üzerinde de yapabilmenin bir yolunu bulabilirlerse, devrim niteliğinde yeni bir tedavi yöntemi olabilir.
Projeye dahil olan Bath Üniversitesi Fizik Bölümü’nden Prof. Alain Nogaret yaptığı açıklamadan bazı kısımlar
“Şimdiye kadar nöronlar kara kutular gibiydi, ancak kara kutuyu açmayı ve içini incelemeyi başardık. İşimiz paradigma değişiyor çünkü gerçek nöronların elektriksel özelliklerini dakika detayında yeniden üretmek için sağlam bir yöntem sunuyor.”
“Ama bundan daha geniş, çünkü nöronlarımızın yalnızca 140 nanoWat güce ihtiyacı var. Bu, diğer sentetik nöronları kullanmaya çalışan mikroişlemcinin güç gereksiniminin milyarda biri kadardır. Bu nöronları, biyo-elektronik implantların kronik hastalıkları tedavi etmeleri için uygun kılar.”
“Örneğin, kalbi sabit bir hızda pompalamak için sadece stimüle etmeyecek, ancak kalpte bırakılan taleplere gerçek zamanlı olarak yanıt vermek için bu nöronları kullanarak – sağlıklı bir kalpte doğal olarak gerçekleşen akıllı kalp pilleri geliştiriyoruz. Diğer olası uygulamalar Alzheimer ve nöronal dejeneratif hastalıklar gibi durumların tedavisinde daha genel olabilir.
“Yaklaşımımız birkaç buluşu birleştiriyor. Herhangi bir nöronun davranışını yüksek kesinlikle kontrol eden kesin parametreleri çok doğru bir şekilde tahmin edebiliriz. Donanımın fiziksel modellerini yarattık ve gerçek canlı nöronların davranışlarını başarıyla taklit etme yeteneğini gösterdik. Üçüncü atılımımız, bir dizi karmaşık memeli nöronunun farklı tip ve fonksiyonlarının dahil edilmesine izin veren modelimizin çok yönlülüğüdür. ”
Zürih Üniversitesi ve ETF Zürih’ten çalışmaların ortak yazarı olan Profesör Giacomo Indiveri şunları ekledi:
“Bu çalışma, önemli analog devre parametrelerini tanımlamadaki benzersiz yaklaşımı sayesinde, nöromorfik çip tasarımı için yeni ufuklar açıyor”
Bir başka yazar, Auckland Üniversitesi ve Bristol Üniversitesi’nden fizyolog olan Profesör Julian Paton
“Minyatürleştirilebilen ve implante edilebilen biyoelektronikteki solunum nöronlarının tepkisini tekrarlamak çok heyecan vericidir ve daha akıllı tıbbilar için muazzam fırsatlar sunar. Kişiselleştirilmiş tıbbın yaklaşımını çeşitli hastalıklara ve sakatlıklara götüren cihazlar.”
Nature Communications’da yayınlanan çalışmaya ulaşmak için tıklayınız.
Üniversitenin youtube kanalında yayınlanan söz konusu araştırmayla ilgili videoyu izleyebilirsiniz. Video, İngilizce’dir.
Bu gelişmeden endişelenenler de var
Bu çalışma bazı rahatsızlıkları tedavi için yapıldı. Süper insanlar yaratma fikrinin olduğu günümüzde amaç dışında kullanılması felaketlere neden olabileceğini düşünenler de mevcut.