Konstgjorda neuroner på kiselchips som beter sig precis som den äkta varan har uppfunnits av forskare - en första prestation i sitt slag med enorma möjligheter för medicinsk utrustning för att bota kroniska sjukdomar, såsom hjärtsvikt, Alzheimers, och andra sjukdomar av neuronal degeneration.

Kritiskt sett beter sig de artificiella neuronerna inte bara som biologiska neuroner utan behöver bara en miljarddel av en mikroprocessors kraft, vilket gör dem idealiska för användning i medicinska implantat och andra bioelektroniska enheter.

Forskargruppen, leds av University of Bath och inklusive forskare från universiteten i Bristol, Zürich och Auckland, beskriv de artificiella neuronerna i en studie publicerad i Naturkommunikation .

Att designa artificiella neuroner som svarar på elektriska signaler från nervsystemet som riktiga neuroner har varit ett stort mål inom medicin i årtionden, eftersom det öppnar upp möjligheten att bota tillstånd där nervceller inte fungerar korrekt, har fått sina processer avskurna som vid ryggmärgsskada, eller har dött. Konstgjorda neuroner kan reparera sjuka biokretsar genom att replikera deras hälsosamma funktion och reagera adekvat på biologisk feedback för att återställa kroppsfunktionen.

Vid hjärtsvikt till exempel, neuroner i basen av hjärnan svarar inte korrekt på nervsystemets feedback, de i sin tur skickar inte de rätta signalerna till hjärtat, som då inte pumpar så hårt som det borde.

Men att utveckla artificiella neuroner har varit en enorm utmaning på grund av utmaningarna med komplex biologi och svåra att förutsäga neuronala svar.

Forskarna har framgångsrikt modellerat och härlett ekvationer för att förklara hur nervceller svarar på elektriska stimuli från andra nerver. Detta är otroligt komplicerat eftersom svaren är "icke-linjära" - med andra ord om en signal blir dubbelt så stark borde den inte nödvändigtvis framkalla en dubbelt så stor reaktion - den kan vara tre gånger större eller något annat.

De designade sedan kiselchips som noggrant modellerade biologiska jonkanaler, innan de bevisade att deras kiselneuroner exakt härmade verkliga, levande neuroner som svarar på en rad stimuleringar.

Forskarna replikerade exakt den fullständiga dynamiken hos hippocampusneuroner och respiratoriska nervceller från råttor, under ett brett spektrum av stimuli.

Professor Alain Nogaret, från University of Bath Institutionen för fysik ledde projektet. Han sa:"Tills nu har nervceller varit som svarta lådor, men vi har lyckats öppna den svarta lådan och kika in. Vårt arbete förändras i paradigm eftersom det ger en robust metod för att återskapa de elektriska egenskaperna hos verkliga neuroner i minsta detalj.

"Men det är bredare än så, eftersom våra neuroner bara behöver 140 nanoWatts kraft. Det är en miljarddel av strömbehovet för en mikroprocessor, som andra försök att göra syntetiska neuroner har använt. Detta gör neuronerna väl lämpade för bioelektroniska implantat för att behandla kroniska sjukdomar.

"Vi utvecklar till exempel smarta pacemakers som inte bara stimulerar hjärtat att pumpa i en jämn hastighet utan använder dessa neuroner för att reagera i realtid på krav som ställs på hjärtat - vilket är vad som händer naturligt i ett friskt hjärta. Andra möjliga tillämpningar kan vara vid behandling av tillstånd som Alzheimers och neuronala degenerativa sjukdomar mer generellt.

"Vårt tillvägagångssätt kombinerar flera genombrott. Vi kan mycket noggrant uppskatta de exakta parametrarna som styr alla neurons beteende med hög säkerhet. Vi har skapat fysiska modeller av hårdvaran och visat dess förmåga att framgångsrikt efterlikna beteendet hos verkliga levande neuroner. Vårt tredje genombrott är mångsidigheten hos vår modell som möjliggör inkludering av olika typer och funktioner hos en rad komplexa däggdjursneuroner."

Professor Giacomo Indiveri, en medförfattare till studien, från universitetet i Zürich och ETF Zürich, tillade:"Detta arbete öppnar nya horisonter för neuromorfisk chipdesign tack vare dess unika tillvägagångssätt för att identifiera viktiga analoga kretsparametrar."

En annan medförfattare, Professor Julian Paton, en fysiolog vid University of Auckland och University of Bristol, sa:"Att replikera responsen från andningsneuroner i bioelektronik som kan miniatyriseras och implanteras är mycket spännande och öppnar för enorma möjligheter för smartare medicinsk utrustning som driver mot personliga medicinska tillvägagångssätt för en rad sjukdomar och funktionshinder."