Vědci vytvořili umělý neuron, který komunikuje s lidským mozkem

Průlom, který mění pohled na neurologii i elektroniku

Vědcům se poprvé podařilo sestrojit umělý neuron, který se chová jako živá nervová buňka a dokáže se dorozumět s opravdovými neurony. Toto zjištění může zásadně proměnit způsob, jakým léčíme neurologická onemocnění, i to, jak navrhujeme elektroniku inspirovanou mozkem.

Tým z Univerzity v Massachusetts ukázal, že miniaturní laboratorně vytvořený prvek zvládá vyměňovat signály s biologickou buňkou – a to za podmínek, které se blíží prostředí lidského nervového systému.

Proč jsou neurony pro tělo tak zásadní

Mozek je nejsložitější orgán v celém lidském těle. Odhaduje se, že obsahuje přibližně 100 miliard neuronů – specializovaných nervových buněk. Každý neuron se skládá z těla buňky, husté sítě výběžků přijímajících signály zvané dendrity a dlouhého vlákna zvaného axon, kterým se impuls přenáší dál.

Funguje to zhruba takto: neuron přijme informaci přes dendrity, zpracuje ji v těle buňky a pak vyšle elektrický impuls axonem k dalším buňkám. Tak vznikají myšlenky, pohyb, vnímání bolesti, vůní i zvuků. Jakmile se tento řetězec přeruší, důsledky se okamžitě projeví na fungování celého organismu.

Poškození nebo zánik části neuronů může vést k chorobám, jako je Parkinson, závažné poruchy pohybu, problémy s citlivostí nebo postupná ztráta paměti typická pro Alzheimerovu chorobu. Proto každý nástroj, který umožňuje neuron lépe ovládat, napodobovat nebo nahradit, vyvolává mezi lékaři i inženýry obrovský zájem.

Neurony se neobnovují – a právě tady začíná problém

Na rozdíl od mnoha jiných buněk v těle se neurony prakticky samy neregenerují. Pokud odumřou, organismus je zpravidla nedokáže obnovit. Poškození mozku nebo míchy je proto často nevratné a následky nehod či nemocí provázejí člověka celý život.

Již řadu let probíhá výzkum technologií, které by mohly poškozené nervové buňky podpořit nebo částečně nahradit. Jedním z nejzajímavějších směrů je tzv. neuromorfická integrace – vytváření elektronických obvodů inspirovaných stavbou a fungováním mozku. Cílem je, aby procesory nebo speciální čipy zpracovávaly informace podobně jako neuronové sítě, místo aby prováděly jen jednoduché lineární výpočty.

Dosavadní pokusy o vytvoření umělých neuronů však narážely na zásadní omezení. Zařízení většinou vyžadovala vysoké napětí, spotřebovávala příliš mnoho energie a bylo obtížné je začlenit do jemného biologického prostředí. Navíc jejich způsob přenosu informací se výrazně lišil od přirozeného „jazyka" neuronů, takže komunikace s buňkami těla byla nepřesná.

Přelomový neuron z Univerzity v Massachusetts

Výzkumný tým z Univerzity v Massachusetts se rozhodl tento problém řešit zcela jinak. Podle zveřejněné studie se jim podařilo zkonstruovat umělý neuron, který pracuje při napětí blízkém tomu, jež využívá lidský mozek – přibližně 0,1 voltu. To je nesrovnatelně méně než u předchozích konstrukcí, které vyžadovaly až desetinásobně vyšší napětí a spotřebovávaly stonásobně více energie.

Srdcem nového řešení je soustava z proteinových nanovláken, která dokáže přenášet elektrický signál jemně, „tiše" a velmi podobně přirozené aktivitě neuronů. Klíčové je, že tento umělý neuron nejen generuje impulsy, ale skutečně komunikuje s opravdovými nervovými buňkami. Vědci prokázali, že zařízení vysílá signály, které biologický neuron přijme, vyhodnotí a na něž zareaguje. Celý systém přitom funguje ve vlhkém prostředí podobném tomu v mozku nebo nervových tkáních.

Proteinová nanovlákna – co to vlastně je

Klíčovou roli zde hraje zvláštní typ vodiče: nesmírně tenká vlákna sestavená z bílkovin, která produkují bakterie. Tato nanovlákna se dokážou přichytit na různé povrchy a přenášet elektrony podél své struktury. Lze si je představit jako ultratence biologické drátky spojující svět elektroniky s živými buňkami.

Taková vlákna si výborně poradí s vodním prostředím, kde běžná elektronika selhává. Díky tomu může umělý neuron pracovat za podobných podmínek jako skutečné neurony – bez nutnosti hermeticky ho izolovat od okolí.

• Elektrický signál se svým napětím blíží přirozenému nervovému impulsu.
• Spotřeba energie klesá oproti předchozím projektům až stonásobně.
• Proteinová nanovlákna jsou kompatibilní s vlhkým biologickým prostředím.
• Komunikace s biologickým neuronem probíhá plynule, bez „přehlušení" silnějším impulsem.

Co může umělý neuron komunikující s mozkem změnit

Vědci vidí hned několik přímých využití tohoto řešení. V první řadě myslí na medicínu a precizní rozhraní mozek–stroj. Jemné, energeticky úsporné umělé neurony by v budoucnu mohly propojit části mozku zodpovědné za pohyb, citlivost nebo paměť a pomáhat tam, kde jsou přirozená spojení poškozena.

V praxi by to mohlo znamenat například citlivější a stabilnější implantáty pro lidi po mozkové mrtvici, novou generaci stimulátorů pro pacienty s Parkinsonovou chorobou nebo systémy podporující tvorbu nových nervových spojení při poranění míchy. Podmínka je jediná: umělé neurony se musí skutečně „domluvit" s tím, co ze sítě biologické zbyde, aniž by narušovaly její chod.

Čím více se technologie přibližuje způsobu fungování skutečných neuronů, tím větší je šance, že ji organismus přijme jako přirozený prvek nervové sítě.

Neuromorfická integrace má zároveň obrovský význam pro informatiku a elektroniku. Obvody inspirované mozkem mohou být mnohem úspornější než klasické procesory a zároveň lépe zvládat úkoly vyžadující jakousi „intuici" – rozpoznávání obrazů, analýzu řeči nebo rychlé rozhodování na základě neúplných dat.

Nejdůležitější fakta o přelomovém neuronu

Jak blízko jsme „záplatovaným" mozkům a neuromorfickým čipům

I když to zní jako námět sci-fi filmu, cestu k praktickým implantátům nebo počítačům s umělými neurony v hlavní roli lze již rýsovat. Je ale třeba vyřešit několik náročných otázek: jak zajistit dlouhodobou stabilitu těchto prvků v organismu, jak předcházet imunitním reakcím a jak řídit tisíce, ba i miliony umělých neuronů najednou.

Inženýři také pracují na tom, aby tyto systémy byly schopny se učit – podobně jako to dělá přirozená nervová síť. To vyžaduje navržení umělých synapsí, které v závislosti na přicházejících signálech časem posilují nebo zeslabují spojení. Teprve kombinace neuronů a synapsí umožní přiblížit se plasticitě lidského mozku.

Pro běžného člověka je nejzajímavější možná to, že tato technologie by jednou mohla splynout s řešeními, která už dnes známe z každodenního života – umělá inteligence ve smartphonech, pokročilé protézy nebo inteligentní podpora práce lékařů. Pokud umělý neuron dokáže hovořit s nervovou tkání, nic nebrání tomu, aby se podobné systémy staly jednou „tlumočníkem" mezi mozkem a chytrými zařízeními kolem nás.

Nezapomínejme ani na etickou stránku věci. Čím lépe se naučíme zasahovat do mozkové aktivity, tím hlasitěji se ozývají otázky o hranicích takového zásahu: kdo kontroluje nervová data, zda je možná manipulace chováním a jak chránit rozhraní mozek–počítač před hackerskými útoky. Diskuse o umělém neuronu tedy v laboratoři rozhodně nekončí – velmi rychle přejde do ordinací lékařů, kanceláří právníků a pracoven bioetiků.