Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
TermopastyTermopasty
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Chipy bioniczne do zastosowań medycznych

ghost666 20 Lut 2020 15:26 663 0
  • Naukowcy donieśli, że w laboratorium powstał pierwszy sztuczny, cyfrowy neuron został on stworzony w celu przywrócenia utraconych funkcji mózgu - planuje się go wykorzystać do leczenia chorób neurodegeneracyjnych. Przykładem takiej choroby jest Choroba Alzheimera. Jest to chorobą neurodegeneracyjną, która powoduje postępujące obumieranie neuronów, a w konsekwencji problemy poznawcze, behawioralne i motoryczne. "To trochę jak zabranie duszy chorego, niszczy to nie tylko pacjentów, ale także ich rodziny" opisują badacze. Choroba Alzheimera pozostaje obecnie trudna do wyleczenia, ale naukowcy badają nowe rozwiązania nanotechnologiczne, które mogą pomóc poprawić jakość życia osób dotkniętych tym schorzeniem.

    Międzynarodowy zespół badawczy, kierowany przez naukowców z British University of Bath w Wielkiej Brytanii stworzył w laboratorium pierwsze sztuczne neurony - miniaturowe urządzenia, zaprojektowane do naprawy uszkodzonych obwodów nerwowych i przywracania utraconych funkcji mózgu. Naukowcy planują użyć takich bionicznych czipów w leczeniu chorób związanych m.in. z sercem jak i chorób neurodegeneracyjnych.

    Według badania Trust Source z 2016 roku, co 66 sekund na świecie ktoś zapada na chorobę Alzheimera. W sumie analitycy zauważają, że około 5,4 miliona dorosłych na świecie żyje z tą chorobą. Charakteryzuje się ona m. in. postępującą utratą pamięci i degradacją innych funkcji poznawczych, które upośledzają wykonywanie codziennych czynności. Obecnie nie ma na nią lekarstwa, chociaż istnieją pewne zabiegi kliniczne, które mogą pozwolić wydłużyć czas, w którym chorzy są w stanie samodzielnie funkcjonować.

    Elektryczne właściwości komórek biologicznych były od dawna badane w celu zrozumienia dynamiki wewnątrzkomórkowej. Trudność pomiaru parametrów mikroskopowych, które kontrolują dynamikę prądów jonowych i nieliniowość przewodnictwa jonowego, utrudniały dotychczas próby budowy ilościowych modeli obliczeniowych dla tych zjawisk. Utrudnia to z kolei tworzenie urządzeń neuromorficznych, zdolnych do replikacji dokładnej odpowiedzi neuronu biologicznego na zadawane bodźce.

    Coraz większa uwaga skupiana na wszczepialnej bioelektronice, która mogłaby być wykorzystana do leczenia przewlekłych chorób neurologicznych, prowadzi technologię w kierunku wykorzystania półprzewodnikowych urządzeń analogowych o niskim poborze mocy. Tworzone w ten sposób systemy elektroniczne mogą dokładnie naśladować biobwody w naszym układzie nerwowym.

    Analogowe układy asynchroniczne są najbardziej obiecującym sposobem natychmiastowej interpretacji surowych bodźców nerwowych, niezależnie od wielkości i złożoności danego systemu. Ponadto ostatnie wysiłki w celu skonstruowania ilościowych neuronalnych modeli obliczeniowych skupiły się na uogólnieniu modelu Hodgkina-Huxleya (HH) na modele wielokanałowe.

    Zespół naukowców z University of Bath ściśle współpracował ze swoimi kolegami ze szwajcarskiego uniwersytetu w Zurychu, uniwersytetu w Auckland w Nowej Zelandii i włoskimi badaczami z różnych ośrodków. Zespół ten wspólnie zaprojektował pierwsze na świecie sztuczne neurony, które zaprojektowano w celu przywrócenia funkcji mózgu, upośledzonych przez różne choroby neurodegeneracyjne, takie jak choroba Alzheimera czy Parkinsona. Wyniki prowadzonych prac badawczych zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Communications.

    Chipy bioniczne do zastosowań medycznych
    Rys.1. Biomimetyczny kanał jonowy zrealizowany
    elektronicznie. a) Przewodność rodzajów jonów α jest
    modulowana przez bramkę aktywacyjną i bramkę
    dezaktywacyjną. Prąd jonowy netto (Iα), jest różnicą
    między prądem aktywacji (Im) a prądem
    dezaktywacji (Ih). Funkcja Heaviside, θ(), określa,
    że ​​zwierciadło prądowe wytwarza prąd dodatni Iα,
    gdy Im> Ih, a w przeciwnym razie 0.
    b) Elektryczny obwód równoważny błony neuronowej.
    c – g) Schematy blokowe obwodów dla:
    c) czasu powrotu bramki, d) zwierciadła prądowego,
    e) mnożnika prądu, f) wzmacniacza transkondukancyjnego
    g) aktywacji/dezaktywacji sigmoidalnej.
    (Zdjęcie za Nature Communications).
    "Każdy obszar mózgu, w którym występuje jakieś zwyrodnienie chorobowe, takie jak choroba Alzheimera lub gdzie neurony po prostu przestają prawidłowo działać z powodu wieku, choroby czy obrażeń, teoretycznie można zastąpić obwodem syntetycznym" powiedział Alain Nogaret - fizyk, który kierował projektem na uniwersytecie w Bath.

    Chipy bioniczne do zastosowań medycznych
    Rys.2. Podwójny eksperyment z elektronicznym neuronem
    a) Napięcie membranowe neuronu podprogowego (czarna linia)
    stymulowanego przez protokół mieszający prąd
    oscylacji hiperchaotycznych z krokami prądowymi (niebieska linia).
    b) Napięcie membrany prognozowane przez model dla innego prądu.
    c) Szczegół oscylacji napięcia membrany.
    d) Przewidywana zależność czasowa kilku zmiennych stanu.
    e) Portret fazowy potencjałów czynnościowych w oknie asymilacji.
    (Zdjęcie za Nature Communications)
    Chipy wyprodukowane przez zespół to miniaturowe urządzenia oparte na krzemie, wzorowane na biologicznych kanałach jonowych. Naśladują one pracę prawdziwych neuronów. Celem jest, stworzenie układów, które pozwolą na naprawienie uszkodzeń spowodowanych chorobami zwyrodnieniowymi, przywracając w ten sposób główne funkcje obwodów nerwowych. W praktyce będą one funkcjonować jako elektroniczne mosty tam, gdzie kanał nerwowy jest przerwany.

    Te implanty chipowe zużywają jedynie 40 nanowatów, czyli około jednej miliardowej ilości energii wymaganej przez typowy mikroprocesor. Bardzo niskie zużycie energii jest tutaj ważne, ponieważ oznacza, że ​​układ może działać bez zasilania baterii, całkowicie polegając na pozyskiwaniu energii ze swojego otoczenia. Kolejnym celem dla naukowców jest zbadanie mniej inwazyjnych i niechirurgicznych metod stosowania głębokiej stymulacji mózgu. Ma to na celu ułatwienie osobom z chorobą Alzheimera dostępu do tego rodzaju metod leczenia. Finalnie, pozwoli to ułatwić im życie, wprowadzając wsparcie sztucznej inteligencji do systemów głębokiej neurostymulacji.

    Neurony zrealizowane na ciele stałym, a raczej jego strumień elektronów, reagują prawie identycznie jak neurony biologiczne na wpływ stymulacji za pomocą szerokiego zakresu aktualnych algorytmów symulujących środowisko mózgu. Przyszłe wyzwania będą z pewnością dotyczyły głównie skuteczności reakcji i doskonalenia modelu za pomocą narzędzi do głębokiego uczenia. Pierwsze krzemowy neurony są przykładem tak zwanej medycyny bioelektronicznej, która za pomocą sztucznych materiałów naśladuje naturalne układy i procesy fizjologiczne. Rysunek 1 oraz rysunek 2 pokazują wyniki analizy obwodów i przeprowadzone symulacje, które zostały opublikowane w artykule naukowym.

    Chip, o którym piszemy powyżej, jest technologicznym skokiem we wdrażaniu nanoelektroniki w medycynie. Ponadto istnieje możliwość zainstalowania w takim systemie GPS czy innych rozwiązań kontrolnych dla istotnych parametrów mózgu. Wszystko to jest możliwe dzięki zaletom mikroelektroniki i rozwiązań o bardzo niskim poborze mocy. Chipy tego rodzaju mogą aktywować różne sygnały w określonym czasie, a także mierzyć tętno, ciśnienie krwi, poziom glukozy i wiele innych parametrów. Podsumowując, droga do całkowitego wyleczenia jednej z najgorszych chorób wszechczasów staje się coraz bardziej otwarta. Postęp w zakresie nanoelektroniki przekształcać będzie nas w coraz bardziej cyfrowych ludzi, którzy korzystając z połączonych technologii by leczyć choroby i poprawiać swój komfort życia.

    Źródła:
    https://www.eeweb.com/profile/maurizio-di-paolo-emilio/articles/ultra-low-power-bionic-chip-treats-alzheimers-ee-times
    https://www.eetimes.com/ultra-low-power-bionic-chip-treats-alzheimers/

    Fajne! Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9651 postów o ocenie 7744, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • TermopastyTermopasty