Neurônios artificiais comunicam-se com neurônios reais por luz

Esquema do experimento.
[Imagem: Yossi Mosbacher et al. - 10.1038/s41598-020-63934-4]

Cérebro artificial fala com cérebro natural

Pesquisadores japoneses criaram uma técnica que permite que redes neuronais artificiais se comuniquem com redes neuronais biológicas.

O sistema converte os sinais elétricos dos disparos dos neurônios artificiais em um padrão visual, que é então usado para ativar os neurônios reais - algo que a equipe chama de estimulação optogenética.

Esse avanço é um passo importante rumo a futuros dispositivos neuroprotéticos que substituam neurônios danificados por circuitos neuronais artificiais ou que interliguem próteses biônicas diretamente ao corpo humano.

Neurônios conversam por luz

Um dos maiores desafios para interagir com o sistema nervoso é que os neurônios no cérebro se comunicam com muita precisão, enquanto a saída elétrica típica de uma rede neural artificial é incapaz de atingir neurônios específicos. Para superar esse problema, a equipe converteu os sinais elétricos em luz.

A optogenética é uma tecnologia que tira proveito de várias proteínas sensíveis à luz encontradas em algas e outros animais. Inserir essas proteínas nos neurônios é uma espécie de hackeamento, permitindo ativar ou desativar um neurônio, dependendo do tipo de proteína. Nesse caso, os pesquisadores usaram proteínas ativadas especificamente pela luz azul.

No experimento, a saída elétrica da rede neuronal é convertida em movimento em um padrão quadriculado de casas azuis e pretas. A seguir, esse padrão é transferido para outro quadrado, medindo 0,8 por 0,8 mm, contendo a rede neuronal biológica cultivada em laboratório. Dentro desse quadrado, apenas os neurônios atingidos pela luz proveniente dos quadrados azuis são ativados.

Ritmo cerebral

A atividade espontânea dos neurônios biológicos produz uma atividade síncrona que segue um certo tipo de ritmo. Esse ritmo é definido pela maneira como os neurônios são conectados, pelos tipos de neurônios e pela sua capacidade de se adaptar e mudar.

"A chave do nosso sucesso foi entender que os ritmos dos neurônios artificiais tinham que coincidir com os ritmos dos neurônios reais. Quando conseguimos fazer isso, a rede biológica foi capaz de responder às 'melodias' enviadas pela rede artificial," disse Timothée Levi, da Universidade de Tóquio.

A equipe está otimista de que futuros dispositivos protéticos possam usar seu sistema para substituir circuitos cerebrais danificados e restaurar a comunicação entre as regiões cerebrais. "Isso permitirá que futuros dispositivos biomiméticos se comuniquem com tipos específicos de neurônios ou dentro de circuitos neuronais específicos," disse Levi.

• Cérebro funciona com música - e gosta de tocar bateria