Se revela el concepto de crear un ‘cerebro en un chip’
Hoja de ruta para sistemas neuromórficos y neurohíbridos memristivos Crédito: Universidad Lobachevsky
Científicos de la Universidad Lobachevsky en colaboración con sus colegas de Rusia, Italia, China y Estados Unidos han propuesto el concepto de un chip neurohíbrido memristivo para ser utilizado en biosensores compactos y neuroprótesis. El concepto se basa en soluciones existentes y con visión de futuro en la unión de tecnologías neuronales celulares y microfluídicas que hacen posible el crecimiento de una red neuronal viva espacialmente ordenada. En combinación con tecnologías compatibles con CMOS para crear matrices de microelectrodos y conjuntos de dispositivos memristivos, este enfoque integrado se utilizará para registrar, procesar y estimular la actividad bioeléctrica en tiempo real.
Según Alexey Mikhaylov, director del laboratorio del Instituto de Investigación de Física y Tecnología de la Universidad Lobachevsky, la interacción de diferentes subsistemas se organiza en un solo cristal (chip) y se controla mediante circuitos integrados de analógico a digital. . «La implementación de un sistema microelectrónico biocompatible, junto con el desarrollo de tecnología celular, proporcionará un gran avance en neuroprótesis al ofrecer una importante ventaja competitiva: un sensor bioeléctrico en miniatura basado en micro y nanoestructuras con la opción de almacenar y procesar señales en múltiples Las maneras, incluido el enfoque de avance y los bucles de retroalimentación, pueden servir como una interfaz neuronal activa para el control y la gestión inteligentes de las estructuras neuronales.
Este potencial (inalcanzable con el uso de arquitecturas de interfaz neuronal tradicionales) se puede ampliar a otros tipos de señales bioeléctricas para registrar señales de actividad cerebral, cardíaca y muscular, así como el estado de la piel utilizando sistemas portátiles de diagnóstico y procesamiento de señales», dice Mikhaylov.
Desarrollar y fabricar neurointerfaces bidireccionales , los científicos aplican actualmente circuitos electrónicos complejos realizando modelos matemáticos especiales y principios neuromórficos s de procesamiento de la información. Dichos sistemas electrónicos utilizan componentes tradicionales y no pueden cumplir con los requisitos de eficiencia energética y compacidad para una interacción segura con cultivos vivos o tejidos en el mismo chip.
«Los memristores creados por científicos de Rusia e Italia tienen la propiedad única de memoria resistiva no lineal y son elementos prometedores para los sistemas de procesamiento de información analógica, incluidos aquellos con una estructura similar a la de una neurona. También pueden servir como sensores de actividad electrofisiológica que realizan al mismo tiempo la función de acumulación y almacenamiento no volátil de información «, señala Mikhaylov. .
Una representación esquemática del sistema neurohíbrido propuesto demuestra varias capas funcionales combinadas en un chip integrado con CMOS. La capa superior es una parte del sistema neuronal representado aquí por un cultivo de células hipocampales disociadas cultivadas en una matriz de electrodos múltiples y ordenadas funcionalmente por un diseño especial de canales de microfluidos.
La capa de microelectrodos sirve para el registro extracelular y estimulación de neuronas in vitro. Se implementa en las capas superiores de metalización de la capa CMOS junto con una serie de dispositivos memristivos.
Chip neurohíbrido memristivo. Crédito: Universidad Lobachevsky
«La tarea más simple que realizan los dispositivos memristivos es el procesamiento directo de la actividad de picos de la red biológica; sin embargo, las arquitecturas de redes neuronales de autoaprendizaje basadas en matrices memristivas de barras cruzadas totalmente conectadas se pueden diseñar para la decodificación adaptativa de las características espaciotemporales de la actividad bioeléctrica. La salida de esta red artificial se puede utilizar para controlar la red celular a través de la modulación gradual de la estimulación extracelular de acuerdo con el protocolo dado. Circuitos analógicos y digitales para acceder y controlar la matriz multielectrodo y los dispositivos memristivos, amplificando, la generación y transmisión de señales entre capas debe implementarse en la capa principal de CMOS», explica Alexey Mikhaylov.
Para crear un chip neurohíbrido, el diseño colaborativo y la optimización de todos estos elementos a nivel de materiales, dispositivos, Se requerirán arquitecturas y sistemas. Por supuesto, este trabajo debe estar a la altura del desarrollo de biotecnologías y neurotecnologías para abordar una serie de problemas relacionados principalmente con la biocompatibilidad, los efectos mecánicos, la geometría, la ubicación y la miniaturización de microelectrodos y sondas, y también para abordar la reacción de los seres vivos. cultivo/tejido en la interfaz con un subsistema electrónico artificial.
En palabras de Alexey Mikhaylov, el concepto revela la idea de crear un sistema de cerebro en chip perteneciente a una clase más general de sistemas neurohíbridos memristivos para la robótica de próxima generación, la inteligencia artificial y la medicina personalizada.
Para ilustrar los enfoques propuestos y los productos relacionados en una escala de tiempo previsible, se ha propuesto una hoja de ruta de sistemas neuromórficos y neurohíbridos memristivos. El enfoque clave en la hoja de ruta será el desarrollo y la comercialización de hardware especializado utilizando la arquitectura y los principios de las redes neuronales biológicas para respaldar el desarrollo y la introducción masiva de inteligencia artificial, aprendizaje automático, neuroprótesis y tecnologías de interfaz neuronal.
«Suponemos que la hoja de ruta tuvo su punto de partida en 2008, justo cuando la ola actual de interés en los memristores estaba en marcha, y esta hoja de ruta incluye investigación y desarrollo continuos en amplias áreas de neurobiología y neurofisiología», comenta Alexey Mikhaylov.
Los investigadores prevén los siguientes nichos de productos en la hoja de ruta en diferentes etapas del trabajo en esta dirección: dispositivos informáticos neuromórficos; interfaces neuronales no invasivas; neuroimplantes, neuroprótesis e interfaces neuronales invasivas, etc.
«Las propiedades únicas de los dispositivos memristivos determinan su importancia crítica en el desarrollo de sistemas neuromórficos y neurohíbridos aplicados para dispositivos de neurocomputación, interfaces cerebro-computadora y neuroprótesis. Estas áreas tomará una parte significativa del mercado mundial de alta tecnología por un valor de billones de dólares para 2030, dada la velocidad de desarrollo e implementación de tecnologías de inteligencia artificial, Internet de las cosas, tecnologías de «big data» y «ciudad inteligente», robótica y en el neuroprótesis de futuro cercano y corrección/apoyo/mejora instrumental de las capacidades cognitivas humanas», concluye Mikhaylov.
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Una estructura optimizada de dispositivo memristivo para sistemas informáticos neuromórficos Más información: Alexey Mikhaylov et al, Neurohybrid Memristive CMOS-Integrated Systems for Biosensors and Neuroprosthetics, Frontiers in Neuroscience (2020) ). DOI: 10.3389/fnins.2020.00358 Información de la revista: Frontiers in Neuroscience
Proporcionado por la Universidad Lobachevsky Cita: El concepto de crear un ‘cerebro en un chip ‘reveled (2020, 28 de mayo) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-05-concept-brain-on-a-chip-revealed.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.