Repülőt vezet a tenyésztett agy

A kutatócsoport 18 napos patkányembriók agyából kinyert ideg-, és gliasejteket tenyésztett laboratóriumi körülmények között, speciális elektródákkal ellátott tenyésztőaljzaton. Az embriókból nyert sejtek az aljzaton megtapadva kapcsolatba léptek a 60 darab, 200 mikrométeres távolságba elhelyezett aktív elektródával.

A mérés alapja az volt, hogy a sejtek elektromos aktivitása feszültségváltozást okoz a 25 kHz-n működő mikroelektródák rendszerében. A jel némi erősítését és szűrését követően a feszültség egy Linux-alapú feldolgozórendszerbe fut be, ahol a sejtek analóg jelét, már digitális információ formájában dolgozzák fel.

Cybersejt

Az aljzatra tapadt idegsejtek a kiültetéstől számított néhány napon belül a sejtek által termelt helyi vonzóanyagok hatására kapcsolatokat alakítanak ki egymással, több nap elteltével pedig létrejön egy komplex hálózat, amely ugyan nem hasonlít az agyi struktúrák összetettségéhez és három dimenziós térszerkezetéhez, azonban mégis jó megközelítésül szolgál az elemi hálózati jelenségek megfigyeléséhez.

A hatvan elektróda 25 kHz-n mintegy 3 MB információt szolgáltat másodpercenként. A hatvan, egyenként másfél milliméter széles elektróda lehetővé teszi az idegi hálózaton belüli információcsere detektálását, így rögzíthetővé és lefordíthatóvá válik az idegsejtek közötti párbeszéd.

Adok-kapok

Az elektródák a kutatások során ezenfelül nemcsak outputként, hanem inputként is szolgáltak. Segítségükkel a huszonötezer sejtből álló hálózatot hatvan helyen ingerelték megfelelő elektromos impulzusokkal.

Az agyból kiszakított sejtek ugyanis elvesztik minden bemenő jelüket, így spontán aktivitásuk mérhető egyedül a rendszerben. A sejtek a környezeti hatásokra anyagcsere-változással reagálnák, így létrejön az ingerület. Az ingerület az ideg-, és izomsejtekben egy megfelelő küszöbértéket elérő inger esetében tovaterjedő sejtmembránpotenciál-változással, más néven akciós potenciál kialakulásával jár.

Az idegi hálózatokban terjedő indukált-, vagy spontán információ mérése azáltal jön létre, hogy a megfelelően érzékeny elektródák ezt a potenciálingadozást regisztrálják. Az elektródákban az idegi aktivációra jelentkező feszültség-különbség már könnyen analizálható és korrelál a hálózat aktuális aktivitási dinamikájával.

Sejtszintű sejtések

A kutatók egy F-22-es vadászgép szimulációs programját használták fel az ideghálózat stimulálására. A repülési feltételekről elektromos impulzusokkal tájékoztatott idegsejthálózat lépésenként megtanulta a program elemi szintű kezelését.

Kezdetben a sejtek nem tudtak mit kezdeni az információval, rendezetlen válaszjeleket produkáltak. Egy kis „gyakorlás” elteltével azonban a gyakori és adott ampiltudójú ingerek rendezett választ váltottak ki a hálózatból. A válaszjeleket felfogva és konvertálva, a szimulált repülőmozgás megváltozott, ami szintén ingerként hatott vissza az ideghálózatra. Ezáltal létrejött egy elemi szabályozó kör, a visszacsatoló rendszer. A sejtek aktivitása tehát megváltoztatta a repülő mozgását, ami visszajelezve rögzítette az input és az output közötti ok-okozati összefüggést.

Az élő számítógépek koncepció nem új keletű elképzelés. A hibrid technológia, azaz az élő információtároló és feldolgozó rendszer kombinálása a „hagyományos” hardverekkel és szoftverekkel alternatív megoldást jelenthet az informatikában és az orvostudományban, biológiában egyaránt felmerülő problémák garmadájára.

Ez az új típusú számítástechnikai alkalmazás lehetővé teheti a mostani komputereknél jóval flexibilisebb gépek létrehozását. Megválaszolhatóvá válnak olyan, egyelőre nyitott kérdések, amelyekkel a mai gépek nem tudnak mit kezdeni. Az idegi struktúrák információtároló, elosztó, és feldolgozó metódusainak megismerésével hasonló, szilícium-alapú gépek is tervezhetők lesznek a jövőben.