Vědci vytvořili umělý neuron, který komunikuje s lidským mozkem

Průlom, který mění pohled na neurovědu

Vědcům se poprvé podařilo sestrojit umělý neuron, který se chová jako živá nervová buňka a dokáže skutečně komunikovat s biologickými neurony. Tento objev může zásadně proměnit způsob, jakým léčíme neurologická onemocnění, a otevírá zcela nové možnosti v oblasti elektroniky inspirované mozkem.

Tým z Massachusettské univerzity prokázal, že miniaturní laboratorně vyrobený prvek umí vyměňovat signály s biologickou buňkou za podmínek velmi podobných těm, které panují v lidském nervovém systému.

Proč jsou neurony tak zásadní pro naše tělo

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 (dendritů) a dlouhého vlákna zvaného axon, kterým se impuls šíří dál.

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

Poškození nebo úhyn části neuronů může vést k onemocněním jako Parkinsonova choroba, závažným pohybovým poruchám či postupné ztrátě paměti typické pro Alzheimerovu chorobu. Právě proto každý nástroj, který umožňuje neuron lépe napodobovat nebo nahradit, vyvolává velké vzrušení jak u lékařů, tak u inženýrů.

Neurony se neobnovují — a tady začíná problém

Na rozdíl od mnoha jiných buněk v těle se neurony prakticky samovolně neregenerují. Jakmile zaniknou, organismus je zpravidla nedokáže nahradit. Poranění mozku nebo míchy jsou proto často nevratná a jejich následky provázejí člověka celý život.

Po léta probíhají výzkumy zaměřené na technologie, které by dokázaly poškozené nervové buňky podpořit nebo částečně nahradit. Jedním z nejzajímavějších směrů je tzv. neuromorfická integrace — vytváření elektronických obvodů inspirovaných strukturou a fungováním mozku. Cílem je, aby procesory nebo speciální čipy zpracovávaly informace podobně jako neuronové sítě, namísto provádění jednoduchých lineárních výpočtů.

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

Průlomový neuron z Massachusettské univerzity

Výzkumný tým z Massachusettské univerzity přistoupil k řešení tohoto problému zcela jinak. Podle zveřejněné studie se jim podařilo zkonstruovat umělý neuron pracující při napětí blízkém tomu, které využívá lidský mozek — přibližně 0,1 voltu. To je nesrovnatelně méně než u dřívějších konstrukcí, jež vyžadovaly až desetinásobně vyšší napětí a spotřebovávaly stonásobně více energie.

Srdcem nového řešení je soustava proteinových nanovláken, která dokáže přenášet elektrický signál jemně, „tiše" a velmi podobně přirozenému chování neuronů. Co je klíčové — tento umělý neuron nejen generuje impulsy, ale skutečně komunikuje s reálnými nervovými buňkami. Vědci prokázali, že zařízení vysílá signály, které biologický neuron přijímá, interpretuje a na ně reaguje. Celý systém přitom funguje ve vlhkém prostředí podobném tomu, které panuje v mozku nebo nervové tkáni.

Proteinová nanovlákna — co to vlastně je

Klíčovou roli zde hraje zvláštní typ vodiče: mimořádně tenká vlákna sestavená z proteinů produkovaných bakteriemi. Tato nanovlákna se dokáží přichytit k různým povrchům a přenášet elektrony podél své struktury. Lze si je představit jako supratence biologické drátky spojující svět elektroniky se živými buňkami.

Taková vlákna skvěle snášejí vodné prostředí, ve kterém běžná elektronika selhává. Díky tomu může umělý neuron pracovat za podobných podmínek jako skutečné neurony, aniž by bylo nutné ho hermeticky izolovat od okolí.

• Elektrický signál je napěťově srovnatelný s přirozeným nervovým impulsem.
• Spotřeba energie klesá až stonásobně oproti dřívějším konstrukcím.
• Proteinová nanovlákna jsou kompatibilní s vlhkým biologickým prostředím.
• Komunikace s biologickým neuronem probíhá plynule, bez nutnosti „přehlušit" ho silnějším impulsem.

Co může umělý neuron komunikující s mozkem změnit

Vědci vidí pro toto řešení několik přímých uplatnění. V první řadě myslí na medicínu a přesná rozhraní mozek–stroj. Jemné, energeticky úsporné umělé neurony by se v budoucnu mohly propojit s částmi mozku odpovědnými za pohyb, vnímání nebo paměť a pomáhat tam, kde jsou přirozená spojení poškozena.

V praxi by to mohlo znamenat například citlivější a stabilnější implantáty pro lidi po cévní mozkové příhodě, 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 biologických buněk zbylo, aniž by narušily její fungování.

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

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

Nejdůležitější fakta o průlomovém neuronu

Jak blízko jsme „záplatovaným" mozkům a neuromorfickým čipům

I když to zní jako námět na sci-fi film, cestu k praktickým implantátům nebo počítačům s umělými neurony v hlavní roli již lze načrtnout. Stále je třeba vyřešit několik obtížných otázek: jak zajistit dlouhodobou stabilitu takových prvků v organismu, jak předcházet imunitním reakcím a jak kontrolovat tisíce, ba dokonce miliony umělých neuronů najednou.

Inženýři také pracují na tom, aby tyto soustavy byly schopny se učit — stejně jako to dělá přirozená nervová síť. To vyžaduje navržení umělých synapsí, které postupně zesilují nebo zeslabují spojení v závislosti na přicházejících signálech. Teprve kombinace obojího — neuronů a synapsí — umožní přiblížit se plasticitě lidského mozku.

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

Nezapomínejme ani na etickou stránku věci. Čím lépe se naučíme zasahovat do mozkové aktivity, tím naléhavěji se budou ozývat otázky o hranicích takového zásahu: kdo kontroluje nervová data, zda je možná manipulace chováním, jak chránit rozhraní mozek–počítač před hackerskými útoky. Diskuse o umělém neuronu tedy zdaleka nekončí v laboratoři — velmi rychle se přesune do ordinací lékařů, kanceláří právníků a k bioetikům.