Neurônios artificiais em chips de silício que se comportam exatamente como os reais foram inventados por cientistas - uma conquista inédita com enorme escopo para dispositivos médicos curarem doenças crônicas, como insuficiência cardíaca, Alzheimer, e outras doenças de degeneração neuronal.

De maneira crítica, os neurônios artificiais não só se comportam como neurônios biológicos, mas precisam apenas de um bilionésimo da potência de um microprocessador, tornando-os ideais para uso em implantes médicos e outros dispositivos bioeletrônicos.

A equipe de pesquisa, liderado pela University of Bath e incluindo pesquisadores das Universidades de Bristol, Zurique e Auckland, descrever os neurônios artificiais em um estudo publicado em Nature Communications .

Projetar neurônios artificiais que respondem a sinais elétricos do sistema nervoso como neurônios reais tem sido um dos principais objetivos da medicina há décadas, uma vez que abre a possibilidade de curar as condições em que os neurônios não estão funcionando corretamente, tiveram seus processos cortados como em lesão da medula espinhal, ou morreu. Neurônios artificiais podem reparar biocircuitos doentes, replicando sua função saudável e respondendo adequadamente ao feedback biológico para restaurar a função corporal.

Na insuficiência cardíaca, por exemplo, neurônios na base do cérebro não respondem adequadamente ao feedback do sistema nervoso, eles, por sua vez, não enviam os sinais certos ao coração, que então não bombeia tão forte quanto deveria.

No entanto, desenvolver neurônios artificiais tem sido um grande desafio por causa dos desafios da biologia complexa e das respostas neuronais difíceis de prever.

Os pesquisadores modelaram e derivaram equações com sucesso para explicar como os neurônios respondem a estímulos elétricos de outros nervos. Isso é incrivelmente complicado, pois as respostas são "não lineares" - em outras palavras, se um sinal se torna duas vezes mais forte, não deve necessariamente provocar uma reação duas vezes maior - pode ser três vezes maior ou outra coisa.

Eles então projetaram chips de silício que modelaram com precisão os canais de íons biológicos, antes de provar que seus neurônios de silício imitavam precisamente o real, neurônios vivos que respondem a uma variedade de estímulos.

Os pesquisadores replicaram com precisão a dinâmica completa dos neurônios do hipocampo e neurônios respiratórios de ratos, sob uma ampla gama de estímulos.

Professor Alain Nogaret, do Departamento de Física da Universidade de Bath liderou o projeto. Ele disse:"Até agora, os neurônios eram como caixas pretas, mas conseguimos abrir a caixa preta e olhar para dentro. Nosso trabalho está mudando o paradigma porque fornece um método robusto para reproduzir as propriedades elétricas de neurônios reais nos mínimos detalhes.

"Mas é mais amplo do que isso, porque nossos neurônios precisam apenas de 140 nanowatts de potência. Isso é um bilionésimo do requisito de energia de um microprocessador, que outras tentativas de fazer neurônios sintéticos usaram. Isso torna os neurônios adequados para implantes bioeletrônicos no tratamento de doenças crônicas.

"Por exemplo, estamos desenvolvendo marcapassos inteligentes que não apenas estimulam o coração a bombear em um ritmo constante, mas usam esses neurônios para responder em tempo real às demandas colocadas no coração - que é o que acontece naturalmente em um coração saudável. Outro possíveis aplicações poderiam ser no tratamento de doenças como Alzheimer e doenças degenerativas neuronais de forma mais geral.

"Nossa abordagem combina vários avanços. Podemos estimar com muita precisão os parâmetros precisos que controlam o comportamento de qualquer neurônio com alta certeza. Criamos modelos físicos do hardware e demonstramos sua capacidade de imitar com sucesso o comportamento de neurônios vivos reais. Nosso terceiro avanço é a versatilidade do nosso modelo, que permite a inclusão de diferentes tipos e funções de uma variedade de neurônios complexos de mamíferos. "

Professor Giacomo Indiveri, um co-autor do estudo, da Universidade de Zurique e ETF Zurique, acrescentou:"Este trabalho abre novos horizontes para o design de chips neuromórficos, graças à sua abordagem única para identificar parâmetros de circuitos analógicos cruciais."

Outro co-autor, Professor Julian Paton, fisiologista da University of Auckland e da University of Bristol, disse:"Replicar a resposta dos neurônios respiratórios em bioeletrônica que podem ser miniaturizados e implantados é muito emocionante e abre enormes oportunidades para dispositivos médicos mais inteligentes que levam a abordagens de medicina personalizada para uma série de doenças e deficiências". "