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Neural coding of temperature with a DNA-based spiking chemical neuron

编码 热感受器 神经元 编码(社会科学) 神经编码 感觉系统 生物神经元模型 生物系统 计算机科学 神经科学 生物 生物化学 数学 基因 统计
作者
Nicolas Lobato‐Dauzier,Alexandre Baccouche,Guillaume Gines,Timothée Levi,Yannick Rondelez,Toshiyuki Fujii,Soo Hyeon Kim,Nathanaël Aubert-Kato,Anthony J. Genot
标识
DOI:10.1038/s44286-024-00087-5
摘要

Complex organisms perceive their surroundings with sensory neurons that encode physical stimuli into spikes of electrical activities. The past decades have seen a throve of computing approaches taking inspiration from neurons, including reports of DNA-based chemical neurons that mimic artificial neural networks with chemical reactions. Yet, they lack the physical sensing and temporal coding of sensory biological neurons. Here we report a thermosensory chemical neuron based on DNA and enzymes that spikes with chemical activity when exposed to cold. Surprisingly, this chemical neuron shares deep mathematical similarities with a toy model of a cold nociceptive neuron: they follow a similar bifurcation route between rest and oscillations and avoid artefacts associated with canonical bifurcations (such as irreversibility, damping or untimely spiking). We experimentally demonstrate this robustness by encoding—digitally and analogically—thermal messages into chemical waveforms. This chemical neuron could pave the way for implementing the third generation of neural network models (spiking networks) in DNA and opens the door for associative learning. Complex organisms perceive their surroundings with sensory neurons that encode physical stimuli into spikes of electrical activities. Here a thermosensory chemical neuron based on DNA and enzymes has been reported, which spikes with chemical activity when exposed to cold.
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