By Sammanslagningen av människa och maskin är en stapelvara i sci-fi och kärnan i transhumanismens filosofi. Men att interfacing våra hjärnor med datorer har visat sig oerhört svårt, trots att båda i huvudsak körs på elektriska impulser.
Tänk dig till exempel om en hjärnskada kan repareras med ett datachip. Det kanske inte är alltför långt borta; i december rapporterade forskare om en ”solid state neuron” som exakt modellerar beteendet hos biologiska nervceller. I ett papper i Nature Communications, laget säger att enheterna kan anslutas till biologiska neurala kretsar för att reparera skador eller sjukdomar.
”Hittills har neuroner varit som svarta lådor, men vi har lyckats öppna den svarta lådan och peer inuti,” projektledaren Alain Nogaret, från University of Bath i Storbritannien, sade i ett pressmeddelande. ”Vårt arbete är paradigmförändrande eftersom det ger en robust metod för att reproducera de elektriska egenskaperna hos verkliga neuroner i minsta detalj.”
En viktig orsak till att det har varit så svårt att exakt replikera beteendet hos neuroner i kisel är att sättet de reagerar på stimuli är icke-linjärt. Med andra ord, en signal som är dubbelt så stark kommer inte nödvändigtvis att framkalla ett svar som är dubbelt så starkt.
Forskarna löste problemet genom att samla in data från två typer av råttneuron. Den första var från hjärnans hippocampusregion, som är involverad i lärande och minne, och den andra från andningscentret, som styr andningen.
De använde dessa data för att uppskatta parametrarna som styr hur joner flyter genom neuronerna och använde sedan dessa parametrar för att skapa en modell som förklarar hur neuroner reagerar på stimuli från andra nerver. De använde sedan den modellen för att bygga analoga kiselchips som exakt modellerade beteendet hos riktiga neuroner.
För att testa deras marker, utsatte de dem för 60 olika stimuleringsprotokoll och jämförde deras svar med dem som ses i råtthippocampal och hjärnstamneuroner. Chipsen uppnått en 94 procent noggrannhet.
Kritiskt, de bionic neuroner använder bara 140 nanoWatt kraft—en miljarddel mängden av en vanlig mikroprocessor, vilket gör dem mycket mer praktiskt för långsiktiga applikationer inuti kroppen. Varje chip är ungefär 0,1 millimeter i diameter, men många av dem skulle behöva kombineras för att skapa ett praktiskt implantat, vilket skulle vara några millimeter brett.
Forskarna har redan spunnit ut ett företag som heter Ceryx för att börja utveckla en smart pacemaker som använder de bioniska neuronerna för att svara på signaler snarare än att bara ge en stadig takt som en vanlig pacemaker. Men de säger att deras tillvägagångssätt är generiskt och kan användas för att replikera alla av kroppens många olika typer av neuroner.
Det kan göra det möjligt att reparera defekta kretsar som orsakar tillstånd som hjärtsvikt och sömnapné, men kan också potentiellt ersätta skadade nerver orsakade av ryggmärgsskador eller hjälpa till att ansluta robotlemmar till människors nervsystem, forskarna berättade The Guardian.
