Παρά την απήχηση και την ανάπτυξη που γνωρίζουν σήμερα οι νευροεπιστήμες, οι φοιτητές που έχουν τη δυνατότητα να βιώσουν πειραματικά τη νευροφυσιολογία ενός ζωντανού νευρώνα είναι στην πραγματικότητα ελάχιστοι. Παράλληλα, υπό την έλλειψη ενός φθηνού, προσιτού και εύκολου στη χρήση νευροβιολογικού εργαλείου, η κατανόηση της λειτουργίας των κυττάρων του εγκεφάλου μας παραμένει ένα μυστήριο για το ευρύτερο κοινό, παρεμποδίζοντας έτσι την προαγωγή της κοινωνικής αντίληψης και του ενδιαφέροντος για τις νευροεπιστήμες.

Τη λύση στο κατά βάση οικονομικό αυτό πρόβλημα έρχεται να δώσει μια σχετικά οικονομική in silico εφαρμογή, που μιμείται της φυσιολογικές λειτουργίες ενός νευρώνα (π.χ. δυναμικό δράσης και συναπτική διέγερση/αναστολή), επιτρέποντας μια εύληπτη εξερεύνηση της νευρωνικής λειτουργίας σε προσομοιώσεις πειραμάτων ηλεκτροφυσιολογίας. Το “Spikeling” κατασκευάστηκε από μια ομάδα επιστημόνων απ’ το Πανεπιστήμιο του Sussex, ώστε να μιμείται τους αργού-τύπου νευρώνες πολλών Ασπονδύλων, οι οποίοι είναι ελαφρώς μόνο πιο αργοί από τους νευρώνες με την ταχύτερη απόκριση στον φλοιό των Θηλαστικών.
Τι είναι, όμως, το Spikeling και πώς λειτουργεί στην πράξη;

Πρόκειται για μια εφαρμογή hardware που συναρμολογείται από απλά ηλεκτρονικά συστατικά εντός 2 το πολύ ωρών, δίνοντας τη δυνατότητα της οπτικοποίησης (μέσω LED και παλμογράφου) και ακουστικοποίησης (μέσω ηχείου) των δυναμικών δράσης και μεμβράνης κατά την εκπόλωση ενός νευρώνα. Βασίζεται στη δράση ενός μικροχειριστή Arduino, ο οποίος ελέγχει το ικανό να υπολογιστεί μοντέλο Izhikevich (μοντέλο διεγειρόμενου νευρώνα), ενώ μέσω εναλλακτικού προγραμματισμού μπορεί να κωδικοποιηθεί η μίμηση μοντέλων συμπεριφοράς διαφορετικών τύπων νευρώνων.
Τα βασικά στοιχεία της εφαρμογής αυτής απεικονίζονται στην ακόλουθη εικόνα και είναι αναλυτικά τα εξής:

  • Port 1: Α) Πύλη εισόδου που λειτουργεί ως συναπτική είσοδος και αποκρίνεται σε συγκεκριμένης διέγερσης παλμούς, όπως το δυναμικό δράσης εξόδου που προκαλείται από μια δεύτερη μονάδα Spikeling. Β) Μπορεί να μετατραπεί σε ψηφιακή πηγή ερεθίσματος εάν ενωθεί με την Port 3.
  • Port 2: Συναπτική είσοδος όμοια της Port 1-Α).
  • Port 3: Αναλογική πύλη εσόδου που λαμβάνει σήμα από μια αυτόνομη πηγή ερεθισμάτων ή από υπολογιστή με κατάλληλη πύλη εξόδου.
  • Ports 4 & 5: Ψηφιακή (4) και αναλογική (5) πύλη εξόδου που χρησιμοποιούνται για:
    α) την οπτικοποίηση του μεμβρανικού δυναμικού εξόδου σε έναν εξωτερικό παλμογράφο ή/και
    β) τη σύνδεση και ενεργοποίηση ενός δεύτερου Spikeling.
  • Dial 1: Περιστροφικός χειριστής για το συνεχή έλεγχο των σημάτων των αναλογικών εισόδων.
  • Dial 2: Όμοια με τον Dial 2, με έλεγχο αναλογικών και ψηφιακών σημάτων.
  • Dial 3: Χειριστής προσθήκης μεμβρανικού “θορύβου” (προς μίμηση του “θορύβου” στα δίκτυα των βιολογικών νευρώνων).
  • Dial 4: Χειριστής ελέγχου μιας στατικής τροφοδοσίας ρεύματος που ορίζει την τάση του δυναμικού ηρεμίας της μεμβράνης.
  • Φωτοδίοδος: Αισθητήρας φωτός για επίδειξη της κωδικοποίησης της αντίληψης των αισθητικών ερεθισμάτων.
  • Κουμπί Mode: Εναλλαγή μεταξύ 5 προ-προγραμματισμένων νευρωνικών συμπεριφορών.
Το Spikeling

Υπό διαφορετικές διατάξεις το Spikeling μπορεί να προσομοιώσει ποικιλία νευρωνικών λειτουργιών, από πολύ απλές μέχρι και πολύ σύνθετες, όλες εκ των οποίων αποδίδονται ακουστικά (κλικ) μέσω του ηχείου και οπτικά μέσω του LED (αναλαμπές) που διαθέτει το κύκλωμα, καθώς και με τη βοήθεια ενός παλμογράφου στην οθόνη του υπολογιστή (συνδεόμενος με το Spikeling μέσω usb). Ενδεικτικά αναφέρονται:

  1. Χρήση της τροφοδοσίας τάσης (dial 4) για υπερπόλωση ή εκπόλωση του νευρώνα.*
  2. Αύξηση του μεμβρανικού θορύβου (dial 3).*
  3. Διέγερση της φωτοδιόδου: χειροκίνητα με τη βοήθεια φακού ή μέσω πηγής παλμικού φωτός.*
  4. Διέγερση μέσω αναλογικής πηγής (σύνδεση στην Port 3) και έλεγχος του ρυθμού αυτής μέσω του χειριστή Dial 1.
  5. Ψηφιακή (αυτο-)διέγερση μέσω σύνδεσης της Port 1 με καλώδιο στην στην Port 3.
  6. (Αυτο-)Διέγερση μέσω σύνδεσης της Port 1 με ένα LED και τοποθέτηση αυτού πάνω από τη φωτοδίοδο.
  7. Δημιουργία δικτύου από 2 ή περισσότερα Spikelings μέσω σύνδεσης της ψηφιακής πύλης εξόδου (Port 4) του ενός στη μία εκ των δύο συναπτικών εισόδων (Port 1,2) του άλλου και έλεγχος της συναπτικής απόδοσης μέσω του Dial 2 (μεταβολή της απόδοσης και του συναπτικού σήματος προς μίμηση των διεγερτικών ή παρεμποδιστικών συνδέσεων).

*Βοηθητικό βίντεο για τις περιπτώσεις 1-3: ΕΔΩ

Το Spikeling έχει εφαρμοστεί στην πράξη με επιτυχία, τόσο στα πλαίσια ενός εντατικού τρίμηνου θερινού σχολείου νευροεπιστημών στη Νιγηρία, όσο και σε μια ενότητα διαλέξεων σε τριτοετείς προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς φοιτητές στο Πανεπιστήμιο του Sussex. Αν και ο τρόπος παρουσίασης του Spikeling ήταν διαφορετικός στα δύο αυτά προγράμματα (αριθμός φοιτητών και ώρες ενασχόλησης,  θεωρητικές διαλέξεις, επιδείξεις, προσωπικός πειραματισμός ή συναρμολόγηση, έτοιμο ασκησιολόγιο, συγκρίσεις με άλλα μοντέλα, διαθέσιμος εξοπλισμός κλπ) και στις δύο περιπτώσεις οι φοιτητές δήλωσαν πως βοηθήθηκαν πολύ στο να αποκτήσουν μια πιο διαισθητική αντίληψη των κεντρικών ιδεών των αισθητηριακών και συστημικών νευρωνικών λειτουργιών.

Συμπερασματικά, το Spikeling είναι μία εφαρμογή που, συμπληρωματικά των θεωρητικών γνώσεων και διαλέξεων, μπορεί να λειτουργήσει ως η πρακτική εμπειρία που πολλοί φοιτητές στον τομέα των νευροεπιστημών υπολείπονται. Όντας ένα εργαστηριακό υποκατάστατο των βιολογικών στοιχείων, διαφωτίζει τις ηλεκτροφυσιολογικές ιδιότητες των νευρώνων, παίζοντας καθοριστικό ρόλο στην εκπαίδευση φοιτητών όχι μόνο του τομέα της Βιολογίας, αλλά και αυτών της ψυχολογίας, της μηχανικής, της πληροφορικής και του προγραμματισμού, της τεχνητής νοημοσύνης και της ρομποτικής.

Εικόνα Άρθρου: [Χ]

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *