Qual è la relazione tra batteri e reti neurali?

I ricercatori di Technion hanno sviluppato un sistema biologico artificiale per determinare modelli basati su comunità batteriche secondo le leggi della progettazione di reti neurali artificiali.

Dott. Ramiz Daniel (a sinistra) e il dottor Lee Shimming. Foto: Ramy Shaloush, portavoce del Technion

I ricercatori della Facoltà di Ingegneria Biomedica del Technion hanno sviluppato un sistema biologico algoritmico che identifica i chemiotipi utilizzando gruppi di batteri viventi che comunicano tra loro. Postato ieri sulla rivista di sviluppo Connettiti con la natura Condurre Dott. Ramiz Daniel E un borsista post-dottorato Dr. Lee Shimming.

Durante l’evoluzione, si sono evoluti sistemi biologici multicellulari in grado di eseguire operazioni complesse che coinvolgono varie operazioni matematiche come il monitoraggio, l’elaborazione dei segnali e il processo decisionale. Nel sistema immunitario dei mammiferi, ad esempio, l’invasione di batteri e virus innesca una serie di azioni in cellule diverse, mettendo così il corpo sulla difensiva contro gli invasori. Questi meccanismi dipendono dal funzionamento di un’ampia popolazione di cellule e dalla comunicazione tra queste cellule.

Sistemi biologici naturali Come l’evoluzione del cervello in milioni di anni di adattamento evolutivo prolungato, e svolgono compiti complessi attraverso il coordinamento tra le cellule; più diSistemi biologici InfissiD’altra parte, sono progettati e costruiti in modo intelligente da ingegneri, con l’intenzione di svolgere compiti specifici specifici basati su principi computazionali. Negli ultimi decenni c’è stato un boom nello sviluppo di sistemi elettronici che eseguono operazioni complesse con grande successo. Queste sono reti neurali stratificate – sistemi sintetici Ispirato dalla biologia (Il cervello umano) ed eseguire molte azioni tra cui il riconoscimento di schemi.

Nello studio attuale, i ricercatori hanno fatto il contrario: hanno creato un sistema biologico che è stato ispirato dalle stesse reti neurali. Articolo di ricercatori Technion b Connettiti con la naturaDescrive una tecnologia di riconoscimento di pattern basata su un’operazione matematica che utilizza una colonia batterica. I batteri nel sistema costruito nel Technion sono E. coli che si sono depositati all’interno di “pozzi” su un apparato solido. L’introduzione di informazioni chimiche (input) su un lato del dispositivo provoca una reazione biochimica a catena tra i batteri, che si traduce nella produzione di informazioni ottiche (output) sull’altro lato del dispositivo.

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per me Dottor Daniel“La cosa bella qui è che c’è un lavoro comune qui, o in un linguaggio professionale analogico collettivo. L’idea è che la comunità batterica è composta da caratteristiche semplici e finite, ma la sua attività combinata – un meccanismo biologico noto come quorum sensing – consente di eseguire complesse procedure computazionali. Le reti neurali artificiali funzionano. “: Nell’interazione tra le cellule, la nostra innovazione è che siamo stati in grado di mostrare un sistema biologico artificiale che funziona in modo sorprendente basato sullo stesso concetto. Quindi, in effetti, il lavoro di squadra è potere. “

L’autore principale dell’articolo è un borsista post-dottorato Dr. Shming LeeChi è venuto al Technion dopo aver conseguito il dottorato in Neuroscienze presso la Ohio University. “Quando ho sentito parlare del laboratorio Ramez, ho capito che era un’opportunità per” stravolgere “i calcoli sintetici che eseguono le operazioni matematiche. È così che sono arrivato al Technion tre anni fa e da allora la strada è stata dura e difficile – prove molto complesse e molti fallimenti. Feedback loop per migliorare il sistema, Abbiamo costruito un algoritmo che ci permette di trarre conclusioni sull’input dall’output e alla fine ci siamo riusciti, il che è molto eccitante. “

per me Dottor Daniel“Qui abbiamo dimostrato con successo un modello biologico basato sulla progettazione di reti neurali. Abbiamo dimostrato questo modello con un compito specifico – rilevare modelli chimici – ma potrebbe essere la base per una vasta gamma di applicazioni come il monitoraggio dell’acqua, delle tossine alimentari, la diagnostica medica (come il rilevamento delle cellule tumorali) e la riabilitazione dei tessuti). E lo sviluppo di computer biologici È fantastico vedere come il campo della biologia sintetica, uno dei cui obiettivi è la progettazione di sistemi biologici ispirati dall’ingegneria, stia guadagnando più direzione qui: un progetto che viene da sistemi neurali.

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I ricercatori ringraziano il professor Nathaniel Corinne per la sua assistenza con lo studio.

Per un articolo sulla rivista scientifica Nature Communications clicca qui

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