Vědci z University of Massachusetts vytvořili elektronický systém, který dokáže napodobovat mozkové signály a fungovat ve vlhkém prostředí podobném tomu, kde pracují skutečné nervové buňky.
Výzkumníci popsali v časopise Nature Communications zařízení, které by mohlo zásadně změnit přístup k léčbě neurologických onemocnění i k navrhování elektroniky inspirované mozkem. Klíčem k úspěchu byly bílkovinné nanovlákna vytvářená bakteriemi, které fungují jako přirozené vodiče mezi elektronikou a živou tkání.
Mozek představuje hustou síť složenou z přibližně 100 miliard neuronů, tedy nervových buněk specializovaných na přenos informací. Každý neuron se skládá ze tří hlavních částí: buněčného těla, dendritů a axonu. Dendrity sbírají signály z okolních buněk, v těle neuronu probíhá jejich zpracování a axon funguje jako kabel vedoucí elektrický impuls k dalším neuronům.
V zlomku sekundy projde mozkem miliony těchto impulzů, na kterých závisí vše od pohybu přes pocity až po paměť. Problém nastává, když neurony přestanou fungovat nebo odumřou. Na rozdíl od mnoha jiných typů buněk se neurony snadno neobnovují – jednou ztracené obvykle zmizí navždy.
Proč jsou neurony tak křehké a těžko nahraditelné
Poškození nervové sítě může vést k vážným následkům. Lékaři pozorují, že dysfunkce neuronů způsobuje široké spektrum obtíží od pohybových problémů až po poruchy vnímání a myšlení. Institut mozku uvádí, že jednou utracené neurony obvykle nelze regenerovat.
Problematické jsou zejména tyto oblasti:
- poruchy pohybu jako Parkinsonova choroba
- poruchy vnímání a smyslové percepce
- vážné problémy s pamětí typické pro Alzheimerovu chorobu
- narušení koordinace mezi jednotlivými mozkovými oblastmi
- ztráta schopnosti učit se nové dovednosti
- problémy s rozpoznáváním tváří a předmětů
Z tohoto důvodu neurologie a biomedicínské inženýrství už léta hledají způsob, jak neurony chránit nebo nahradit. Zvláštní význam má technologie schopná napodobovat funkci neuronu natolik věrně, aby ji mozek „akceptoval“ jako svou vlastní součást.
Vědci zdůrazňují, že není jen důležité vytvořit elektroniku, která vypadá jako neuron. Rozhodující je, aby dokázala komunikovat stejným způsobem a stejnou intenzitou jako biologická nervová buňka, jinak ji tělo odmítne nebo na ni nebude reagovat správně.
Co přesně znamená neuromorfická integrace
Nový umělý neuron z Massachusetts zapadá do širšího trendu zvaného neuromorfická integrace. Jde o navrhování elektroniky tak, aby co nejvěrněji kopírovala strukturu i chování neuronů a synapsí. Místo klasického lineárního zpracování dat jako v tradičních procesorech se neuromorfické obvody snaží fungovat podobně jako mozek: paralelně, energeticky úsporně a s využitím krátkých impulzů.
V laboratořích po celém světě vznikají speciální čipy, umělé synapse a nové typy tranzistorů, které se dokážou učit a přizpůsobovat. Dosavadní pokusy však často ztroskotávaly na nedostatečné kompatibilitě s biologií. Zařízení buď fungovala v příliš suchém sterilním prostředí, nebo vysílala příliš silné elektrické signály, které neladily s citlivou chemií mozku.
Výzkumný tým z University of Massachusetts tvrdí, že se mu podařilo tyto bariéry prolomit. Jejich umělý neuron komunikuje se skutečným neuronem způsobem velmi blízkým přirozenému a pracuje ve vlhkém prostředí podobném tomu, kde fungují nervové buňky.
Bílkovinná nanovlákna jako most mezi elektronikou a tkání
Klíčem se ukázala být bílkovinná nanovlákna – mikroskopické vodiče vytvářené bakteriemi. V přírodě pomáhají bakteriím přichytit se k povrchům a vyměňovat si elektrony s okolím. Inženýři využili tuto vlastnost k postavení vodivé struktury, kterou lze ponořit do roztoku podobného tekutině obklopující neurony.
Tyto bílkovinné nanovlákny fungují jako jemné přirozené vodiče, které „rozumí“ elektronice i živé tkáni zároveň. Dokážou tedy zprostředkovávat komunikaci oběma směry bez nutnosti agresivních kovových elektrod, které často poškozují okolní buňky.
Tato vlastnost je důležitá ze dvou důvodů. Zaprvé může takový umělý neuron fyzicky koexistovat s nervovými buňkami bez nutnosti sterilního suchého prostředí jako mnoho klasických obvodů. Zadruhé je dostatečně citlivý, aby pracoval při napětích blízkých těm, které generuje náš mozek – tedy zhruba 0,1 voltu.
Dřívější konstrukce umělých neuronů potřebovaly až desetinásobně vyšší napětí než přirozené nervové buňky. To se promítalo do stonásobně vyšší spotřeby energie a příliš silného signálu, takže biologie na něj nedokázala správně reagovat. Jeden z inženýrů to přirovnal ke křiklounovi s megafonem, který vpadne do tiché posluchárny. Nové řešení se chová spíš jako člověk mluvící potichu a přizpůsobující tón okolí.
Díky tomu umělý neuron nedominuje biologickému systému, ale skutečně s ním spolupracuje. Máme tedy poprvé šanci na opravdu obousměrnou komunikaci: elektronika čte signály z neuronu a posílá mu odpověď v „jazyce“, kterému rozumí.
Jak může tato technologie změnit medicínu i elektroniku
Samotné vytvoření jednoho umělého neuronu ještě neznamená, že zítra vznikne plně funkční umělá mozkové kůra. Směr je však jasný – čím lépe se naučíme stavět jednotlivé komponenty, tím snazší bude je propojovat do větších sítí. Vědci vidí několik možných aplikací.
Potenciální využití zahrnuje:
- novou generaci neurologických implantátů přesnějších a méně invazivních
- náhradu poškozených mozkových oblastí umělými neurony převzaté funkce ztracených buněk
- neuromorfické procesory inspirované mozkem mnohem úspornější než klasické CPU a GPU
- lepší rozhraní mozek–počítač s jemnější komunikací než současné kovové elektrody
- miniaturní lékařská zařízení nositelná v těle po dlouhá léta
- monitorovací systémy sledující aktivitu mozku v reálném čase
- terapeutické nástroje pro pacienty s Parkinsonovou nebo Alzheimerovou chorobou
Pracují-li tyto obvody při napětí blízkém biologickému, otevírají cestu k miniaturním energeticky úsporným zdravotnickým přístrojům. Čím nižší napětí a menší spotřeba energie, tím blíže jsme elektronice fungující jako tkáň a ne jako cizí těleso.
Vědci z University of Massachusetts zdůrazňují, že tato technologie může zcela změnit terapii neurodegenerativních onemocnění. Místo pouhého tlumení příznaků by lékaři dostali možnost částečně obnovit funkce ztracených neuronů, což by pacientům vrátilo část ztracené soběstačnosti.
Jaké jsou další kroky a výzvy do budoucna
Prozatím máme jediný prvek, který se v laboratorních podmínkách chová slibně. Další výzvy jsou zřejmé: je třeba ověřit stabilitu takového neuronu po delší dobu, jeho odolnost vůči změnám teploty, chemickým výkyvům i schopnost pracovat v síti s dalšími buňkami.
Vědci budou muset také zjistit, jak nejlépe propojit množství těchto umělých neuronů s živou tkání – kolik jich je potřeba, v jakých vzorcích, jak kontrolovat jejich učení. Ve hře není jen inženýrství, ale i etika. Otázky hranic zásahů do mozku budou stále naléhavější.
Pokud technologie zamíří k medicínským aplikacím, pacienti s Parkinsonovou nebo Alzheimerovou chorobou mohou získat zcela nové terapeutické nástroje. Rozhraní propojující mozek s elektronikou vždy vyvolávají napětí mezi fascinací a obavami. Na jedné straně lákají vizí obnovení ztracených funkcí, na druhé nutí přemýšlet o hranicích modifikace člověka a o tom, kdo bude spravovat tak citlivá data jako neuronální aktivita.
Stojí za připomenutí, že neurony nejsou jen kabely vedoucí impulzy. Každá buňka má vlastní chemii, metabolismus, reaguje na hormony a látky z okolí. Umělý neuron – byť velmi pokročilý – zatím napodobuje hlavně elektrickou vrstvu. Proto bude dlouho spíše podporou a protézou než plnohodnotnou náhradou živé tkáně.
Pro lidi sledující vývoj umělé inteligence může toto téma působit vzdáleně, existuje tu však zajímavý most. Strojové učení a neuronové sítě v počítačích se inspirují biologií jen symbolicky. Neuromorfická integrace se pokouší přiblížit skutečnému mozku ze strany hardwaru. Pokud se tyto dva směry začnou propojovat, můžeme vidět zcela nové typy inteligentních zařízení – nejen rychlé a chytré, ale i bližší tomu, jak funguje náš vlastní nervový systém.
