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Os pesquisadores de Stanford testam a primeira versão do biohybrid da sinapse artificial

Em 2017, os pesquisadores da Universidade de Stanford apresentaram um dispositivo novo que imitasse o cérebro eficiente e a aprendizagem neural da baixo-energia. Era uma versão artificial de uma sinapse - a diferença através de que os neurotransmissor viajam para se comunicar entre os neurônios - feita dos materiais orgânicos. Em 2019, os pesquisadores montaram nove de suas sinapses artificiais junto em uma disposição, mostrando que poderiam simultaneamente ser programados imitar a operação paralela do cérebro.

Agora, em um 15 de junho publicado papel em materiais da natureza, testaram a primeira versão do biohybrid de sua sinapse artificial e demonstraram que pode se comunicar com as pilhas vivas. As tecnologias futuras que provêm deste dispositivo podiam funcionar respondendo directamente aos sinais químicos do cérebro. A pesquisa foi conduzida em colaboração com pesquisadores em Istituto Italiano di Tecnologia (Instituto de Tecnologia italiano - IIT) em Itália e na Universidade Tecnológica de Eindhoven (Países Baixos).

Este papel destaca realmente a força original dos materiais que nós usamos em poder interagir com a matéria viva. As pilhas são assento feliz no polímero macio. Mas a compatibilidade vai mais profunda: Estes materiais trabalham com o mesmo uso dos neurônios das moléculas naturalmente.”

Alberto Salleo, professor da ciência de materiais e da engenharia em Stanford e autor co-superior do papel

Quando outros dispositivos cérebro-integrados exigirem um sinal elétrico detectar e processar as mensagens do cérebro, as comunicações entre estes dispositivo e pilhas vivas ocorrem com a electroquímica - como se o material era apenas um outro neurônio que recebe mensagens de seu vizinho.

Como os neurônios aprendem

A sinapse artificial do biohybrid consiste em dois eléctrodos macios do polímero, separados por uma trincheira enchida com a solução do eletrólito - que faz a parte da fenda synaptic que separa os neurônios de comunicação no cérebro. Quando as pilhas vivas forem colocadas sobre um eléctrodo, os neurotransmissor que a liberação daquelas pilhas pode reagir com esse eléctrodo aos íons do produto. Aqueles íons viajam através da trincheira ao segundo eléctrodo e modulam o estado condutor deste eléctrodo. Alguma dessa mudança é preservada, simulando a aprendizagem que ocorre na natureza.

“Em uma sinapse biológica, tudo é controlado essencialmente por interacções químicas na junção synaptic. Sempre que as pilhas se comunicam um com o outro, estão usando a química,” disse Scott Keene, um aluno diplomado em Stanford e autor do co-chumbo do papel. “Poder interagir com a química natural do cérebro dá o serviço público adicionado dispositivo.”

Este processo imita o mesmo tipo da aprendizagem considerado em sinapses biológicas, que é altamente eficiente em termos da energia porque o armazenamento da computação e da memória acontece em uma acção. Em uns sistemas informáticos mais tradicionais, os dados são processados primeiramente e então movidos mais tarde para o armazenamento.

Para testar seu dispositivo, os pesquisadores usaram as pilhas neuroendócrinas do rato que liberam a dopamina do neurotransmissor. Antes que executaram sua experiência, foram incertos como a dopamina interagiria com seu material - mas viram uma mudança permanente no estado de seu dispositivo em cima da primeira reacção.

“Nós soubemos que a reacção é irreversível, assim que faz o sentido que causaria uma mudança permanente no estado condutor do dispositivo,” disse Keene. “Mas, foi duro saber se nós conseguiríamos o resultado que nós previmos no papel até que nós o vimos acontecer no laboratório. Isso era quando nós realizamos que o potencial que este tem emulando a aprendizagem a longo prazo de uma sinapse.”

Uma primeira etapa

Este projecto do biohybrid é em tais fases iniciais que o foco principal da pesquisa actual era simplesmente a fazer trabalhar.

“É uma demonstração que esta comunicação que melding a química e a electricidade seja possível,” disse Salleo. “Você poderia dizer que é uma primeira etapa para uma relação da cérebro-máquina, mas é muito primeira uma etapa minúscula, minúscula.”

Agora que os pesquisadores testaram com sucesso seu projecto, estão figurando para fora os melhores trajectos para a pesquisa futura, que poderia incluir o trabalho em computadores cérebro-inspirados, relações da cérebro-máquina, dispositivos médicos ou a pesquisa nova utiliza ferramentas para a neurociência. Já, estão trabalhando em como fazer o dispositivo funcionar melhor em uns ajustes biológicos mais complexos que contenham tipos diferentes das pilhas e dos neurotransmissor.

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.