在令人印象深刻的概念驗(yàn)證演示中，一個(gè)跨學(xué)科的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種由機(jī)器學(xué)習(xí)算法驅(qū)動(dòng)的生物電子系統(tǒng)，該算法可以移動(dòng)活細(xì)胞中的膜電壓并將其維持在設(shè)定點(diǎn)10小時(shí)。

每個(gè)活細(xì)胞都會(huì)在細(xì)胞膜上維持一個(gè)電壓，該電壓是由細(xì)胞內(nèi)部和外部的帶電離子濃度差異引起的。通常稱為膜電位或靜息電位，此電壓受細(xì)胞膜中的離子通道調(diào)節(jié)，在細(xì)胞生理和功能(例如增殖和分化)中起重要作用。

由于細(xì)胞響應(yīng)其環(huán)境變化的復(fù)雜方式以及稱為穩(wěn)態(tài)的自然自我調(diào)節(jié)反饋過程，利用生物電子學(xué)控制細(xì)胞非常困難。細(xì)胞調(diào)節(jié)離子運(yùn)動(dòng)以維持穩(wěn)定的膜電壓，因此研究人員必須開發(fā)一種可以抵消這種自然反應(yīng)的系統(tǒng)。

“生物反饋系統(tǒng)是生命的基礎(chǔ)，其故障通常涉及疾病。這項(xiàng)工作表明，我們可以使用由機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的生物電子設(shè)備的組合來調(diào)整此反饋，并有可能恢復(fù)其功能，”教授Marco Rolandi說加州大學(xué)圣克魯斯巴斯金分校工程與計(jì)算機(jī)工程系主任。

Rolandi是描述這項(xiàng)工作的論文的高級(jí)通訊作者，該論文于9月24日發(fā)表在《高級(jí)智能系統(tǒng)》雜志上。其他幫助指導(dǎo)該項(xiàng)目的通訊作者是加州大學(xué)圣克魯斯分校應(yīng)用數(shù)學(xué)助理教授馬塞拉·戈麥斯(Marcella Gomez)和塔夫茨大學(xué)再生與發(fā)育生物學(xué)中心主任，哈佛大學(xué)懷斯學(xué)院副教授邁克爾·萊文(Michael Levin) 。

研究人員開發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一系列生物電子質(zhì)子泵，可在溶液中添加或去除氫離子，使其與培養(yǎng)的人類干細(xì)胞鄰近。對(duì)細(xì)胞進(jìn)行基因修飾，使其在細(xì)胞膜上表達(dá)一種熒光蛋白，該蛋白響應(yīng)膜電壓的變化。該系統(tǒng)由機(jī)器學(xué)習(xí)算法控制，該算法可跟蹤膜電壓如何響應(yīng)質(zhì)子泵的刺激。

“這是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，它可以記錄細(xì)胞的行為，確定使用質(zhì)子泵進(jìn)行何種干預(yù)，觀察細(xì)胞如何反應(yīng)，然后確定達(dá)到和維持膜電壓狀態(tài)所需的下一次干預(yù)。欲望。”羅蘭迪解釋道。