Para ilmuwan telah mengembangkan sel saraf buatan yang berperilaku sama seperti sel saraf asli yang ditanamkan pada sebuah microchip. Temuan untuk pertama kalinya ini dapat membantu dalam menyembuhkan berbagai penyakit kronis, seperti gagal jantung, Alzheimer, dan berbagai penyakit degenerasi sel saraf lainnya.
Selain berperilaku seperti sel saraf biologis, neuron (sel saraf) buatan ini hanya membutuhkan sedikit tenaga, sepersejuta dari kekuatan mikroprosesor. Sehingga, sangat cocok untuk digunakan dalam implan medis dan perangkat bio-elektronik lainnya.
Tim peneliti, yang dipimpin oleh University of Bath dan termasuk peneliti dari Universitas Bristol, Zurich dan Auckland, menggambarkan neuron buatan dalam sebuah studi yang diterbitkan di Nature Communications.
Merancang neuron buatan yang merespons sinyal listrik dari sistem saraf seperti neuron yang sesungguhnya telah menjadi tujuan utama dalam kedokteran selama beberapa dekade, karena membuka kemungkinan untuk menyembuhkan suatu kondisi di mana neuron sudah tidak bekerja dengan baik. Bisa jadi karena prosesnya yang terputus seperti pada cedera sumsum tulang belakang, atau sel-sel saraf tersebut telah mati. Neuron buatan dapat memperbaiki bio-sirkuit yang mengalami kerusakan dengan mereplikasi fungsinya saat kondisi masih baik dan merespon setiap umpan balik biologis untuk memulihkan fungsi tubuh dengan secara memadai.
Misalnya pada kasus gagal jantung, neuron di dasar otak tidak merespon dengan baik umpan balik dari sistem saraf, yang pada akhirnya tidak mengirimkan sinyal yang tepat pada jantung, sehingga jantung tidak memompa sekeras dari yang seharusnya.
Namun mengembangkan neuron buatan telah menjadi tantangan besar karena kesulitan kompleksitas biologis dan respon dari neuron sendiri yang sulit untuk diprediksi.
Para peneliti berhasil memodelkan dan memperoleh persamaan untuk menjelaskan bagaimana neuron merespon rangsangan listrik dari saraf lain. Ini luar biasa rumit karena responsnya ‘non-linear’ – dengan kata lain jika suatu sinyal menjadi dua kali lebih kuat, itu tidak selalu harus menghasilkan reaksi yang dua kali lebih besar pula — mungkin bisa saja tiga kali lebih besar atau bahkan sesuatu yang lain.
Para peneliti kemudian merancang sebuah chip silikon yang secara akurat memodelkan saluran ion biologis, sebelum membuktikan bahwa neuron silikon mereka benar-benar menirukan neuron asli yang dapat merespon berbagai stimulasi.
Para peneliti secara akurat mereplikasi dinamika dari neuron hippocampal dan neuron pernapasan secara utuh dari tikus, di bawah kondisi berbagai rangsangan.
Profesor Alain Nogaret, dari Departemen Fisika Universitas Bath memimpin proyek ini. Dia berkata: “Sampai sekarang neuron seperti kotak hitam, tetapi kami telah berhasil membuka kotak hitam ini dan mengintip ke dalamnya. Pekerjaan kami adalah perubahan paradigma karena menyediakan metode yang kuat untuk mereproduksi sifat listrik dari neuron asli dalam detail kecil.
“Tapi ini, bisa lebih luas dari itu saja, karena neuron kita hanya membutuhkan daya sebesar 140 nanoWatt. Sepersejuta dari kebutuhan daya sebuah mikroprosesor, yang telah digunakan oleh upaya lainnya untuk membuat neuron buatan. Membuat neuron ini cocok untuk implan bio-elektronik pada perawatan berbagai penyalit kronis.”
“Sebagai contoh, kami mengembangkan alat pacu jantung yang cerdas yang tidak hanya akan merangsang jantung untuk memompa dengan kecepatan tetap, tetapi menggunakan neuron ini untuk merespon secara real-time terhadap permintaan yang diberikan pada jantung — yang terjadi secara alami pada sebuah jantung yang sehat. Alikasi lainnya yang memungkinkan bisa dalam pengobatan berbagai kondisi seperti Alzheimer dan penyakit degeneratif neuronal secara umum.
“Pendekatan kami menggabungkan beberapa terobosan. Kami dapat dengan sangat akurat memperkirakan parameter yang tepat yang mengontrol perilaku neuron dengan kepastian tinggi. Kami telah membuat model fisik perangkat keras dan menunjukkan kemampuannya untuk berhasil meniru perilaku neuron yang sebenarnya. Terobosan ketiga kami adalah fleksibilitas model kami yang memungkinkan untuk dimasukkannya berbagai jenis dan fungsi berbagai neuron mamalia yang kompleks.”
