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Les chercheurs de Stanford vérifient la première version de biohybrid de la synapse artificielle

En 2017, les chercheurs d'Université de Stanford ont présenté un dispositif neuf qui imite le processus d'apprentissage neural efficace et à énergie réduite du cerveau. C'était une version artificielle d'une synapse - l'écartement en travers dont les neurotransmetteurs se déplacent pour communiquer entre les neurones - effectuée à partir des matières organiques. En 2019, les chercheurs ont assemblé neuf de leurs synapses artificielles ensemble dans un choix, prouvant qu'ils pourraient être simultanément programmés imiter le fonctionnement parallèle du cerveau.

Maintenant, dans le 15 juin publié de papier en matériaux de nature, ils ont vérifié la première version de biohybrid de leur synapse artificielle et ont expliqué qu'elle peut communiquer avec les cellules vivantes. Les technologies d'avenir provenant de ce dispositif ont pu fonctionner par la réponse directement aux signes chimiques du cerveau. La recherche a été conduite en collaboration avec des chercheurs chez Istituto Italiano di Tecnologia (Institut de Technologie italien - IIT) en Italie et à l'université de technologie d'Eindhoven (Pays-Bas).

Cet article met en valeur réellement la seule force des matériaux que nous employons en pouvant agir l'un sur l'autre avec la question vivante. Les cellules sont séance heureuse sur le polymère mou. Mais la compatibilité disparaît plus profonde : Ces matériaux fonctionnent avec la même utilisation de neurones de molécules naturellement. »

Alberto Salleo, professeur de scientifique et technique de matériaux chez Stanford et auteur de Co-sénior du papier

Tandis que d'autres dispositifs cerveau-intégrés exigent un signe électrique de trouver et traiter les messages du cerveau, les transmissions entre ces dispositif et cellules vivantes se produisent par l'électrochimie - comme si le matériau étaient juste un autre neurone recevant des messages de son voisin.

Comment les neurones apprennent

La synapse artificielle de biohybrid se compose de deux électrodes molles de polymère, séparées par une tranchée remplie de solution d'électrolyte - qui joue le rôle de la fente synaptique qui sépare les neurones de communication dans le cerveau. Quand des cellules vivantes sont mises sur une électrode, les neurotransmetteurs que le desserrage de ces cellules peut réagir avec cette électrode aux ions de produit. Ces ions se déplacent en travers de la tranchée à la deuxième électrode et modulent la condition conductrice de cette électrode. Une partie de cette modification est préservée, qui simule le processus d'apprentissage se produisant en nature.

« Dans une synapse biologique, essentiellement tout est réglé par des interactions chimiques à la jonction synaptique. Chaque fois que les cellules communiquent entre eux, elles emploient la chimie, » a dit Scott Keene, un étudiant de troisième cycle chez Stanford et auteur de Co-fil du papier. « Pouvoir agir l'un sur l'autre avec la chimie naturelle du cerveau donne l'installation ajoutée par dispositif. »

Ce procédé imite le même genre d'apprendre vu dans des synapses biologiques, qui est très efficace en termes d'énergie parce que le stockage de calculer et de mémoire se produisent dans une action. Dans des systèmes informatiques plus traditionnels, la caractéristique est traitée d'abord et plus tard ensuite déménagée au stockage.

Pour vérifier leur dispositif, les chercheurs avaient l'habitude les cellules neuroendocrines de rat qui relâchent la dopamine de neurotransmetteur. Avant qu'ils aient fait fonctionner leur expérience, ils étaient incertains comment la dopamine agirait l'un sur l'autre avec du leur matériau - mais ils ont vu un changement permanent de la condition de leur dispositif sur la première réaction.

« Nous avons su que la réaction est irréversible, ainsi elle semble raisonnable qu'elle entraînerait un changement permanent de la condition conductrice du dispositif, » a dit Keene. « Mais, il était difficile de savoir si nous réaliserions les résultats que nous avons prévus sur le papier jusqu'à ce que nous l'ayons vu se produire dans le laboratoire. C'était quand nous avons réalisé que le potentiel que ceci a pour émuler le processus d'apprentissage à long terme d'une synapse. »

Une première étape

Ce modèle de biohybrid est dans de tels stades précoces que le centre principal de la recherche actuelle était simplement de le faire fonctionner.

« C'est une démonstration qui cette transmission annonçant la chimie et l'électricité est possible, » a dit Salleo. « Vous pourriez dire que c'est une première étape vers une surface adjacente de cerveau-machine, mais c'est toute première une opération minuscule et minuscule. »

Maintenant que les chercheurs ont avec succès vérifié leur modèle, ils figurent à l'extérieur les meilleurs circuits pour la future recherche, qui pourrait comprendre le travail sur les ordinateurs inspirés par le cerveau, les surfaces adjacentes de cerveau-machine, les matériels médicaux ou les outils de recherches neufs pour la neurologie. Déjà, ils travaillent à la façon effectuer le dispositif fonctionner mieux dans des réglages biologiques plus complexes qui contiennent différents genres de cellules et de neurotransmetteurs.

Source:
Journal reference:

Keene, S.T., et al. (2020) A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity. Nature Materials. doi.org/10.1038/s41563-020-0703-y.