Computerchip bootst na hoe onze neuronen zich aanpassen aan nieuwe informatie

Het bouwen van een computersysteem dat het vermogen van het menselijk brein om nieuwe taken te leren kan repliceren, is al tientallen jaren een droom voor wetenschappers. MIT-onderzoekers zijn nu een gigantische stap dichter bij het realiseren van deze droom door een computerchip te ontwerpen, die bootst hoe de neuronen van de hersenen zich aanpassen aan nieuwe informatie. Dit proces, bekend als plasticiteit, wordt verondersteld de basis te zijn van veel hersenfuncties, zoals geheugen en leren. De bevindingen zullen worden beschreven door senior auteur Chi-Sang Poon aan de National Academy of Sciences deze week.
De siliciumchip, die ongeveer 400 transistoren heeft, is in staat om de activiteit van één hersensynaps te simuleren. Een synaps is een koppeling tussen twee neuronen, cellen die gespecialiseerd zijn om signalen door te geven aan individuele doelwitcellen, en een synaps is het middel waarmee ze dat doen.
Chi-Sang Poon, hoofdonderzoeker in de Harvard-MIT-divisie van Health Sciences and Technology, zegt te verwachten dat deze chip neurowetenschappers zal helpen meer te leren over hoe de hersenen werken. De chip kan ook worden gebruikt in neurale prothetische apparaten zoals kunstmatige netvliezen.

Modellering van synapsen

De hersenen bevatten ongeveer 100 miljard neuronen, die elk synapsen vormen met vele andere neuronen. Een synaps is de spleet (gap junction) tussen twee neuronen, de ene wordt het presynaptische neuron genoemd en de andere het postsynaptische neuron. Het presynaptische neuron geeft neurotransmitters vrij, d.w.z. glutamaat en GABA, die binden aan de receptoren van het postsynaptische celmembraan, waardoor ionkanalen worden geactiveerd die in staat zijn om elektrische stroom te passeren.
De elektrische potentiaal van de cel wordt veranderd door het openen en sluiten van deze ionkanalen, waardoor spanningsveranderingen in de presynaptische cel spanningsveranderingen in de postsynaptische cel veroorzaken. Deze elektrische impuls wordt een actiepotentiaal genoemd.
De volledige synaptische activiteit hangt af van deze ionkanalen die de stroom van geladen atomen regelen, d.w.z. natrium, kalium en calcium. Deze ionkanalen zijn van fundamenteel belang voor twee processen, zoals de lange-termijn potentiatie (LTP), die synapsen en de langdurige depressie (LTD) versterkt, die synapsen verzwakt.
De MIT-onderzoekers ontwierpen de computerchip op zo'n manier dat de transistors de activiteit van verschillende ionkanalen konden nabootsen. In vergelijking met de meeste chips die in een binaire, aan / uit-modus werken, hebben de onderzoekers de nieuwe hersenchip ontworpen, zodat stroom door de transistors stroomt op analoge en niet digitale wijze, met een gradiënt van elektrisch potentieel die de stroom door de stroom laat stromen transistors die lijken op ionen die door ionkanalen in een cel stromen.
Poon reacties:

"We kunnen de parameters van het circuit aanpassen aan specifieke ionkanalen.We hebben nu een manier om elk ionproces dat plaatsvindt in een neuron vast te leggen."

Vroeger bouwden onderzoekers circuits die alleen het vuren van een actiepotentiaal konden simuleren zonder alle omstandigheden die de potentiëlen produceerden. Poon voegt toe:

"Als je echt de hersenfunctie op realistische wijze wilt nabootsen, moet je meer doen dan alleen spiking.Je moet de intracellulaire processen vangen die gebaseerd zijn op ionkanalen."

De MIT-onderzoekers verwachten dat hun chip zal worden gebruikt voor het bouwen van systemen om specifieke neurale functies te modelleren, zoals het visuele verwerkingssysteem, dat aanzienlijk sneller zou kunnen zijn in vergelijking met digitale computers. Simulatie van een eenvoudig hersencircuit kan uren of dagen duren, zelfs op computersystemen met hoge capaciteit, terwijl simulatie met het analoge chipsysteem zelfs sneller is dan het biologische systeem.
Volgens Poon kan het bouwen van chips die kunnen interageren met biologische systemen een andere potentiële toepassing zijn, die een potentiële communicatie tussen de hersenen en neurale prothetische apparaten, zoals kunstmatige netvliezen, ten goede zou kunnen komen. In de verre toekomst zouden deze chips ook kunnen dienen als bouwstenen voor apparaten voor kunstmatige intelligentie.

Debat opgelost

De chip is al door het MIT-team gebruikt om een ??oplossing voor te stellen voor een langdurig debat over hoe LTD zich voordoet.
Volgens één hypothese zijn LTD en LTP afhankelijk van de frequentie van actiepotentialen die in de postsynaptische cel worden gestimuleerd. Een meer recente theorie suggereert echter dat de timing van de aankomst van de actiepotentialen op de synaps de sleutel is waarop langetermijnpotentiatie en langdurige depressie afhankelijk zijn, omdat beide ionenkanalen nodig hebben die bekend staan ??als NMDA-receptoren, die detecteren postsynaptische activering.

Een andere recente theorie suggereert dat beide modellen kunnen worden verenigd als een tweede type receptor betrokken zou zijn bij het detecteren van die activiteit. Een potentiële kandidaat voor de tweede receptor is de endo-cannabinoïde receptor.
Endo-cannabinoïden, vergelijkbaar met de structuur van marihuana, worden geproduceerd in de hersenen en spelen een rol in verschillende functies, zoals pijnsensatie, eetlust en geheugen. Volgens sommige theorieën van wetenschappers, als endo-cannabinoïden, die worden geproduceerd in de postsynaptische cel, worden vrijgegeven in de synaps, activeren ze presynaptische endo-cannabinoïde receptoren en LTD zal optreden als NMDA-receptoren tegelijkertijd actief zijn.
De onderzoekers slaagden erin om zowel LTD als LTP nauwkeurig te simuleren door transistors op te nemen in hun chip, die endo-cannabinoïde receptoren gemodelleerd. Poon verklaarde dat, ondanks de steun van eerdere experimenten, tot nu toe: "niemand had dit allemaal samengevoegd en computationeel aangetoond dat dit inderdaad werkt, en zo werkt het."
De studie werd geleid door Chi-Sang Poon, hoofdonderzoeker in de Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology, met Guy Rachmuth, een voormalige postdoc in het laboratorium van Poon, als hoofdauteur.Andere auteurs zijn Mark Bear, de Picower hoogleraar Neuroscience aan het MIT, en Harel Shouval van de University of Texas Medical School.
Geschreven door Petra Rattue