Neurônios baseados em estruturas metálicas mimetizam sinais cerebrais

Resumo:

Pesquisadores desenvolveram a primeira estrutura de neuronio de metal-orgânico (MOF) que imita o comportamento do cérebro em ambientes líquidos, reagindo à dopamina. Diferente de dispositivos tradicionais, este neurônio MOF reproduz funções essenciais dos neurônios, como plasticidade sináptica, sinais integrados e disparo modulado pela dopamina.

Em um teste prático, os cientistas usaram esse neurônio para controlar uma mão robótica, onde os níveis de dopamina determinavam a velocidade e a força do movimento. Essa inovação aproxima os neurônios artificiais do funcionamento biológico real e abre novas possibilidades para computação inspirada no cérebro, biossensores e próteses avançadas.

Fatos principais:

• Primeiro Neurônio Artificial Responsivo à Dopamina: Os neurônios MOF conseguem detectar neurotransmissores em líquidos, diferentemente dos neurônios sólidos tradicionais.
• Imita Aprendizado e Memória: Eles reproduzem a plasticidade sináptica e a dinâmica de integrar e disparar, essenciais para a cognição.
• Controle de Mãos Robóticas: Os picos modulados por dopamina permitiram um controle preciso dos movimentos em um protótipo de mão robótica.

O cérebro humano é uma inspiração para o desenvolvimento de dispositivos neuromórficos inovadores. Os neurônios são as unidades básicas do sistema nervoso que processam informações e comunicam-se por sinapses químicas.

A geração e as características dos picos dos neurônios são controladas por tensão, íons e neurotransmissores em ambientes líquidos. Para codificar informações complexas, os neurônios têm diferentes comportamentos de disparo, refletidos em picos com formas, frequências e padrões variados.

Por isso, para que componentes neurais artificiais funcionem corretamente, é necessário simular a transmissão sináptica química que envolve íons e neurotransmissores, além de reproduzir as características dinâmicas dos picos.

Os neurônios sólidos, feitos de silício ou semicondutores de óxido metálico, não funcionam em ambientes aquosos, limitando suas características neurais moduladas por neurotransmissores e íons. Neurônios mais realistas podem ser feitos de materiais orgânicos, que conduzem íons e elétrons. No entanto, desenvolver esses neurônios orgânicos é complicado, devido a requisitos de desempenho e estrutura, tornando o design e síntese de polímeros funcionais um desafio.

Os frameworks metal-orgânicos (MOFs) são materiais cristalinos porosos, formados por centros iônicos de metal e ligantes orgânicos, unidos por laços fortes. Essas estruturas têm alta porosidade, boa capacidade volumétrica e propriedades memristivas exclusivas, ganhando destaque no campo de dispositivos neuromórficos aquáticos.

Sob a liderança de Wei-Wei Zhao, a equipe da Universidade de Nanjing criou um neurônio MOF que responde à dopamina, um neurotransmissor essencial no cérebro. Com isso, a pesquisa ciência deu um passo importante, operando em ambientes aquáticos e conectando dispositivos sólidos a sistemas biológicos.

A equipe usou um MOF semicondutor Ni₃(HITP)₂, aplicado em um substrato padronizado para criar um transistor MOF. Esse componente foi integrado a um microcontrolador e circuitos externos, formando um neurônio artificial.

A característica especial dos neurônios MOF é sua mecânica de transmissão de sinais, que se assemelha à dos neurônios biológicos. A integração da dopamina possibilitou que os pesquisadores demonstrassem várias capacidades-chave:

1. Plasticidade Sináptica: O dispositivo mostrou comportamentos semelhantes à memória de curto prazo, como facilitação e depressão de pulsos, fundamentais para o aprendizado e memória do cérebro.

2. Dinâmica de Integração e Disparo: O neurônio artificial acumula sinais de entrada até atingir um limite, quando gera um pico, imitando como os neurônios reais processam informações.

3. Ajuste de Picos: A concentração de dopamina modulava diretamente o número e a largura dos picos. Níveis mais elevados de dopamina resultaram em mais picos e picos mais largos.

Além de imitar o comportamento biológico, o neurônio MOF demonstrou utilidade prática. Ao integrá-lo a uma mão robótica, a equipe conseguiu controlar com precisão os movimentos dessa mão através de picos ajustáveis pela dopamina.

Com maior concentração de dopamina, as contrações da mão robótica foram mais rápidas e completas em resposta a pulsos de entrada. Um dos pesquisadores, Zhao, destacou que os neurônios biológicos dependem de neurotransmissores como a dopamina para modular sinais. O neurônio MOF é um passo importante para desenvolver sistemas artificiais, com potencial para biossensores neuromórficos e interfaces homem-máquina avançadas.

Sobre Esta Pesquisa em Neurociência e Neurotecnologia

A demanda por uma fusão mais profunda entre humanos e máquinas impulsiona o desenvolvimento de neurônios artificiais. No entanto, replicar o disparo neuronal em ambientes aquáticos ainda é desafiador.

Os frameworks metal-orgânicos (MOFs) mostram grande potencial na engenharia neuromórfica e são compatíveis com operações em condições aquosas. Este estudo apresenta pela primeira vez um neurônio MOF com picos ajustáveis pela dopamina.

Baseando-se nessa mediação da dopamina, algumas funções neurais complexas, incluindo integração e disparo, facilitação sináptica que aumenta a largura do pico e modulação de número e largura dos picos, foram imitadas. O neurônio MOF possibilitou um controle preciso de equipamentos periféricos, introduzindo o conceito de neurônios interfaciados com neurotransmissores reais em fluidos, oferecendo uma nova perspectiva para o desenvolvimento de neurônios artificiais.

Essa inovação promete avançar a área de neurotecnologia, especialmente em aplicações que envolvem interfaces mais sofisticadas entre máquinas e seres humanos, visando facilitar a comunicação e o controle entre esses dois mundos.