شبکه‌های عصبی مصنوعی یک قدم به مغز واقعی نزدیک‌تر

عبارت (نورون‌هایی که با هم شلیک می‌شوند، با هم سیم‌کشی می‌شوند) انعطاف‌پذیری عصبی را در مغز انسان توصیف می‌کند، اما نورون‌هایی که در یک ظرف کشت می‌شوند به نظر نمی‌رسد از این قوانین پیروی کنند. نورون‌هایی که در محیط آزمایشگاه کشت می‌شوند، شبکه‌های تصادفی و بی‌معنی تشکیل می‌دهند که همگی با هم شلیک می‌شوند. آن‌ها به طور دقیق نشان‌دهنده نحوه یادگیری مغز واقعی نیستند، بنابراین ما فقط می‌توانیم نتیجه‌گیری‌های محدودی از مطالعه آن‌ها داشته باشیم. اما اگر بتوانیم نورون‌های آزمایشگاهی ایجاد کنیم که واقعاً طبیعی‌تر رفتار کنند چه؟

به گزارش رسانه اخبار پزشکی مدنا، تیمی تحقیقاتی در دانشگاه توهو از دستگاه‌های میکروفلوئیدیک برای بازسازی شبکه‌های عصبی بیولوژیکی با اتصال شبیه به آنچه در سیستم‌های عصبی حیوانات یافت می‌شود، استفاده کرده‌اند. آن‌ها نشان دادند که چنین شبکه‌هایی الگوهای فعالیت پیچیده‌ای را نشان می‌دهند که می‌توانند با تحریک تکراری (باز پیکربندی) شوند. این یافته قابل توجه ابزارهای جدیدی را برای مطالعه یادگیری و حافظه فراهم می‌کند.

در برخی مناطق مغز، اطلاعات به عنوان (مجموعه‌های عصبی) یا گروه‌هایی از نورون‌هایی که با هم شلیک می‌شوند، رمزگذاری و ذخیره می‌شود. مجموعه‌ها بر اساس سیگنال‌های ورودی از محیط تغییر می‌کنند که اساس عصبی نحوه یادگیری و به خاطر سپردن چیزها است. با این حال، مطالعه این فرآیندها با استفاده از مدل‌های حیوانی به دلیل پیچیدگی ساختارها دشوار است.

هیداکی یاماموتو (دانشگاه توهو) می‌گوید: «دلیل نیاز به رشد نورون‌ها در آزمایشگاه این است که سیستم‌ها بسیار ساده‌تر هستند. نورون‌های کشت‌شده در آزمایشگاه به دانشمندان اجازه می‌دهند تا نحوه عملکرد یادگیری و حافظه را در شرایط بسیار کنترل‌شده بررسی کنند. تقاضا برای این نورون‌ها به گونه‌ای است که تا حد امکان به واقعیت نزدیک باشند.»

تیم تحقیقاتی یک مدل خاص با استفاده از یک دستگاه میکروفلوئیدیک (یک تراشه کوچک با ساختارهای سه بعدی کوچک) ایجاد کرد. این دستگاه به نورون‌ها اجازه داد تا متصل شوند و شبکه‌هایی مشابه شبکه‌های سیستم عصبی حیوانات تشکیل دهند. با تغییر اندازه و شکل تونل‌های کوچک (موسوم به میکروکانال‌ها) که نورون‌ها را به هم متصل می‌کنند، تیم نحوه تعامل قوی نورون‌ها را کنترل کرد.

محققان نشان دادند که شبکه‌هایی با میکروکانال‌های کوچکتر می‌توانند مجموعه‌های عصبی متنوعی را حفظ کنند. به عنوان مثال، نورون‌های کشت‌شده در دستگاه‌های سنتی تمایل داشتند فقط یک مجموعه واحد را نشان دهند، در حالی که آن‌هایی که با میکروکانال‌های کوچکتر رشد کرده‌اند، تا شش مجموعه را نشان دادند.

علاوه بر این، تیم دریافت که تحریک مکرر این مجموعه‌ها را تعدیل می‌کند و فرآیندی شبیه به انعطاف‌پذیری عصبی را نشان می‌دهد، گویی سلول‌ها در حال باز پیکربندی هستند. این فناوری میکروفلوئیدیک در ترکیب با نورون‌های آزمایشگاهی می‌تواند در آینده برای توسعه مدل‌های پیشرفته‌تر که می‌توانند عملکردهای خاص مغز مانند تشکیل و یادآوری خاطرات را تقلید کنند، استفاده شود.