Nöronları taklit eden yeni çip, felç ve kalp hasarı tedavisinde devrim yaratabilir

Yazan Hüseyin Kandemir
14 Ocak 2020   |    17 Ocak 2020   |   Kategori: Güncel / Literatür Print

Gerçek beyin hücrelerinin elektriksel özelliklerini doğru bir şekilde yeniden üreten ve sinir hücrelerinin sinyallerini iletebilen yapay nöronlar yakın bir gelecekte felç ve kalp hasarı tedavisine devrim yaratabilir. Bath ve Bristol üniversitelerinden bilim insanlarının ortaklaşa yürüttüğü araştırmanın sonuçları Nature Communications dergisinde yayınlandı. Yeni geliştirilen silikon çipler, nöronlar ile etkileşebiliyor. Bu sayede hastalık veya yaralanma nedeniyle hasar gören sinir hücreleri arasında sinyalleri iletebiliyor. Yeni CIP, standart bir mikroişlemcilerin milyarda biri oranında güce ihtiyaç duyuyor. Bu özellikleri sayesinde kalp yetmezliği veya Alzheimer gibi kronik hastalıkları tedavi etmek için tıbbi implantlarda kullanılabilecek.

Laboratuar hayvanları üzerinde yapılan testler, bu duyarlı çipin, kalbi düzenli bir hızda çalışan geleneksel bir elektrikli paceminden daha verimli şekilde uyardığını gösterdi.  Araştırmanın yazarlarından Bath Üniversitesi Fizik Bölümü üyesi Prof. Alain Nogaret, “Şimdiye kadar nöronlar kara kutular gibiydi, ama kara kutuyu açmayı ve içerisi ile iletişim kurmayı başardık. Bu gelişme mevcut paradigmayı değiştiriyor, çünkü gerçek nöronların elektriksel özelliklerini küçük detaylarla üretmek için sağlam bir yöntem sunuyor.”

Bu yapay nöronların pek çok kronik hastalığın tedavisi için çok ideal biyoelektronik implantlara dönüştürülebileceğini belirten Prof esör Nogaret, “Akıllı kalp pilleri (pacemakers) geliştiriyoruz. Bu çipler, sağlıklı bir kalpte doğal olarak gelişen süreci gerçek zamanlı olarak taklit edebiliyor. Tıpkı sağlıklı çalışan bir kalp gibi. Bu çiplerin diğer olası uygulamalar alanları arasında Alzheimer ve nöronal dejeneratif hastalıklar geliyor” dedi.

Yeni cip teknolojisi nasıl geliştirildi

Araştırmacılar, Farelerdeki iki tip nöronun nasıl ateşlendiğini modellemek için bir simülasyon kullandılar. Modeller, biyolojik iyon kanallarının (vücuttaki sinyalleri ileten) kopyalarının oluşturulduğu silikon çiplere çevrildi.

Teorik olarak, yapay nöronların devreleri, başarısız sinir hücrelerinin sağlıklı işlevini çoğaltabilir ve vücudun farklı bölümleri arasında elektrik mesajları iletebilir. Örneğin, bir kişinin kalbi başarısız olduğunda, beyindeki nöronlar sinir sistemi geri bildirimlerine düzgün yanıt vermez, bu nedenle kalp gerektiği kadar kan pompalamaz. Yapay nöronlar içeren bir çip, doğru sinyali tekrar ilgili bölgeye iletebilir.

Her yapay nöronun çapı 0.1 mm’den az; biyonik implant olarak kullanılabilen 100 nöron içeren bir çip, yaklaşık 4 mm çapındadır.

Şimdi, bazı araştırmacılar bu çiplerin gömülü olduğu akıllı kalp pilleri yapmaya hazırlanıyor. Farelerde yapılan testler, bu yaklaşımın standart bir kalp pilinden daha etkili olduğunu gösterdi – ancak bu tür bir cihazın insan hastalara implante edilmeye hazır hale gelmesi için uzun yıllar geçmesi gerekebiliyor.

Araştırmanın bir diğer yazarı olan Profesör Julian Paton, “Bu keşif, çeşitli hastalıklara ve sakatlıklara yönelik kişiselleştirilmiş tıp yaklaşımlarına yönelen daha akıllı tıbbi cihazlar için çok büyük fırsatlar yaratıyor” açıklamasında bulundu.

Merkezi kalıp jeneratörleri adı verilen vücuttaki sinir merkezlerini taklit edebilen teknolojiyi ticarileştirmek için yeni kurulan bir şirket olan Ceryx Medical faliyet alanını genişletmeyi amaçladığı açıklandı. Şirket ilk etapta, kalp hızını kontrol eden implanların yanında sindirim sistemini ve kas kasılmalarını kontrol edebilen cihazlar üretmeyi hedefliyor.

Kaynak: Optimal solid state neurons. Kamal Abu-Hassan, Joseph D. Taylor, Paul G. Morris, Elisa Donati, Zuner A. Bortolotto, Giacomo Indiveri, Julian F. R. Paton & Alain Nogaret. Nature Communications. 03 December 2019.

Abstract: Biyoelektronik tıp, ham sinir uyaranlarını entegre eden ve biyolojik nöronlara aynı şekilde yanıt veren nöromorfik mikro devrelere duyulan ihtiyacı arttırmaktadır. Bununla birlikte, bu devrelerin tasarlanması hala oldukça zordur. Burada yüksek derecede doğrusal olmayan iletkenlik modellerinin parametrelerini tahmin edilmesi gerekiyor. Çalışmamızda analog katı hal elektroniklerinde yapılandırılmış hücre içi akımların ve membran voltajlarının AB initio denklemlerini türetebildik.

Tıp tarihinde bir ilk: FDA, vücutta izi takip edilebilen ilk Dijital ilacı onayladı

Katı hal nöronlarının tek tek iyon kanallarını elektrofizyolojik kayıtların büyük ölçekli asimilasyonundan tahmin edilen parametrelerle yapılandırarak, silikodaki hipokampal ve solunum nöronlarının tam dinamiklerini başarıyla aktarabildik. Katı hal nöronlarının, çok çeşitli akım enjeksiyon protokolleri ile stimülasyon altında biyolojik nöronlara neredeyse aynı şekilde tepki verdiğini saptadık. Doğrusal olmayan modellerin optimizasyonu, analog elektronik devreleri programlamak için güçlü bir yöntem gösterir. Bu yaklaşım, hastalıklı biyositleri onarmak ve işlevlerini biofeedback’e uyum sağlayabilen biyomedikal implantlarla taklit etmek için çok önemli bir çözüm yolu sunuyor.

YAZIYI PAYLAŞ


YORUMUNUZ VAR MI?

avatar
Araç çubuğuna atla