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Un neurone artificiel simulant les fonctions d’un neurone biologique

Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin – 05/07/2015

Un neurone artificiel simulant les fonctions d’un neurone biologique - neuron

Chemical-to-electrical-to-chemical signal transmission. A conventional neuron (upper panel) senses chemical signals (orange circles), which trigger an electrical pulse of membrane depolarization (action potential) along the axon, causing chemical release at the axon terminals (blue circles). This process can be mimicked (lower panel) by a chemical biosensor (for glutamate or acetylcholine) connected to an axon-mimicking organic electronic ion pump that transmits electrons/ions and generates chemicals — forming an organic electronic biomimetic neuron. (credit: Daniel T. Simon et al./Biosensors and Bioelectronics

Des chercheurs du Karolinska Institute et de la Linköping University, en Suède, ont réalisé ce qu’il nomment un neurone artificiel pleinement fonctionnel, c’est-à-dire pouvant reproduire les fonctions d’un neurone humain. De nombreuses simulations du neurone ont déjà été faite, faisant appel à des algorithmes variés d’intelligence artificielle. Mais celles-ci n’étaient pas directement miniaturalisables ni implantables dans un cerveau vivant, pour le cas échéant remplacer un ou plusieurs neurones défaillants. Ce ne devrait pas être le cas, selon les chercheurs, du dispositif proposé, qu’ils nomment un “organic electronic biomimetic neuron”, un neurone électronique-organique reproduisant le neurone biologique.

Le système combine deux disques, l’un fonctionnant comme un capteur biologique et l’autre comme une pompe à ion. Si dans le premier disque se produit une modification chimique, résultant par exemple d’un apport de glutamate, ce disque transmet un signal électrique, via un réseau simulant l’axone et les synapses d’un neurone biologique, au second disque. Celui-ci génère alors un nouveau signal correspondant à l’apport de glutamate dans le premier disque, nouveau signal destiné au disque capteur d’un nouveau neurone, et ainsi de suite. Ainsi peut être reproduit le fonctionnement d’une chaîne de neurones biologique. La commande initiale pourrait être faite à distance.

NB L’acide glutamique (ou glutamate sous la forme anionique de l’acide glutamique) est l’un des 20 acides-a-aminés naturels constituant les protéines.

Un neurone artificiel simulant les fonctions d’un neurone biologique - glu

Glutamate drops are added to a dish containing a biosensor (green) that generates electronic signals (e–), which (via hardware/software) regulate hydrogen ion delivery (white tube) to another dish, where pH is monitored microscopically (video) (credit: Daniel T. Simon et al./Biosensors and Bioelectronics)

Selon la responsable en chef du projet, Agneta Richter-Dahlfors, professeur de microbiologie cellulaire au Karolinska Institutet, l’utilisation de tels dispositifs pourrait améliorer le traitement de certains désordres neurologiques. Ce traitement se limite aujourd’hui à la stimulation électrique du neurone défaillant, sans entraîner d’effets sur la chaîne de neurones à laquelle appartient ce premier neurone.

Après miniaturisation et implantation dans un corps humain, le neurone biomimétique ainsi réalisé pourrait, dans un nerf comportant un neurone endommagé, remplacer celui-ci et restaurer ainsi les fonctions du nerf. Sans doute pas dans le cortex cérébral proprement dit, mais dans les nerfs longs comme ceux commandant la jambe.

On devine que, aussi ingénieux que soit le dispositif proposé, sa miniaturisation et éventuellement sa commande à distance, soulèveront d’innombrables problèmes. Mais les progrès rapides de la micro-biologie et de la micro-neurologie artificielles devraient apporter des solutions.

Abstract

Current therapies for neurological disorders are based on traditional medication and electric stimulation. Here, we present an organic electronic biomimetic neuron, with the capacity to precisely intervene with the underlying malfunctioning signalling pathway using endogenous substances. The fundamental function of neurons, defined as chemical-to-electrical-to-chemical signal transduction, is achieved by connecting enzyme-based amperometric biosensors and organic electronic ion pumps. Selective biosensors transduce chemical signals into an electric current, which regulates electrophoretic delivery of chemical substances without necessitating liquid flow. Biosensors detected neurotransmitters in physiologically relevant ranges of 5–80 µM, showing linear response above 20 µm with approx. 0.1 nA/µM slope. When exceeding defined threshold concentrations, biosensor output signals, connected via custom hardware/software, activated local or distant neurotransmitter delivery from the organic electronic ion pump. Changes of 20 µM glutamate or acetylcholine triggered diffusive delivery of acetylcholine, which activated cells via receptor-mediated signalling. This was observed in real-time by single-cell ratiometric Ca2+ imaging. The results demonstrate the potential of the organic electronic biomimetic neuron in therapies involving long-range neuronal signalling by mimicking the function of projection neurons. Alternatively, conversion of glutamate-induced descending neuromuscular signals into acetylcholine-mediated muscular activation signals may be obtained, applicable for bridging injured sites and active prosthetics.

Source Science Direct, An organic electronic biomimetic neuron enables auto-regulated neuromodulation

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