Proč jsou neurony tak důležité a zároveň tak zranitelné
Výzkumníci z University of Massachusetts popsali v časopise Nature Communications elektronický obvod, který nejen napodobuje signály mozku, ale zvládá fungovat v prostředí velmi podobném tomu, kde pracují skutečné neurony. Tento objev by mohl zásadně proměnit přístup k léčbě neurologických onemocnění i k návrhu elektroniky inspirované mozkem.
Mozek je husté propletení spojení. Podle dat specializovaných neurovědeckých institucí ho tvoří přibližně 100 miliard neuronů – buněk specializovaných na přenos informací. Každý neuron se skládá ze tří základních částí: těla buňky, dendritů a axonu.
Dendrity zachycují signály z okolních buněk. V těle buňky dochází k jejich zpracování a axon funguje jako vodič, po němž elektrický impuls putuje k dalším neuronům. Během zlomku vteřiny projde mozkem miliony těchto impulsů – právě na nich závisí to, jak se pohybujeme, co cítíme a co si pamatujeme.
Problém nastává ve chvíli, kdy neurony přestanou správně fungovat nebo odumřou. Poškození nervové sítě může vést k:
- poruchám pohybu, jako je Parkinsonova choroba,
- poruchám vnímání a smyslového cítění,
- závažným problémům s pamětí, jako u Alzheimerovy choroby.
Na rozdíl od mnoha jiných typů buněk se neurony regenerují jen velmi obtížně. Jakmile jsou ztraceny, zpravidla zmizí navždy. Proto neurologie a biomedicínské inženýrství již léta hledají způsoby, jak je chránit nebo nahradit.
Zvláštní význam má technologie, která dokáže napodobovat činnost neuronu natolik věrně, aby ji mozek „přijal za vlastní".
Co je neuromorfická integrace
Nový umělý neuron z Massachusetts zapadá do širšího trendu označovaného jako neuromorfická integrace. Jde o navrhování elektroniky tak, aby co nejvěrněji kopírovala strukturu a chování neuronů a synapsí.
Místo klasického lineárního zpracování dat, typického pro tradiční procesory, se neuromorfické obvody snaží fungovat spíše jako mozek: paralelně, energeticky úsporně a prostřednictvím krátkých impulzů. V laboratořích proto vznikají speciální čipy, „umělé synapsy" a nové typy tranzistorů, které se učí a přizpůsobují.
Mnohé dosavadní pokusy v tomto směru ztroskotaly na nedostatečné biologické kompatibilitě. Zařízení buď fungovala pouze v příliš suchém a sterilním prostředí, nebo vysílala příliš silné elektrické signály, které neodpovídaly jemné chemii mozku.
Nový umělý neuron: tichý, úsporný a „mokrý"
Tým z University of Massachusetts oznámil, že se mu podařilo tyto překážky překonat. Jím vytvořený umělý neuron je schopen komunikovat s živým neuronem způsobem velmi blízkým přirozenému přenosu signálů – a navíc pracuje ve vlhkém prostředí, podobném tomu, v němž fungují nervové buňky.
Klíčem se stala proteinová nanovlákna – mikroskopické vodiče produkované bakteriemi. V přírodě jim pomáhají přichytávat se k povrchům a vyměňovat elektrony. Inženýři tuto vlastnost využili k vytvoření vodivé struktury, kterou lze ponořit do roztoku připomínajícího tekutinu obklopující neurony.
Proteinová nanovlákna fungují jako jemné, přírodní vodiče, které „rozumějí" jak elektronice, tak živé tkáni.
To je důležité ze dvou důvodů. Za prvé, takový umělý neuron může fyzicky koexistovat s nervovými buňkami, aniž by vyžadoval sterilní, suché podmínky jako mnohé klasické obvody. Za druhé, je dostatečně citlivý na to, aby pracoval při napětích srovnatelných s těmi, která generuje náš mozek.
Energie srovnatelná s živým mozkem
Dřívější konstrukce umělých neuronů vyžadovaly až desetkrát vyšší napětí než přirozené nervové buňky. To se projevovalo stonásobně vyšší spotřebou energie a příliš silným „úderem" signálu, kvůli kterému ho biologická tkáň nedokázala správně přijmout.
Nový prvek pracuje při napětí přibližně 0,1 voltu – zhruba tolik, kolik generuje lidský neuron. Podle slov jednoho z inženýrů dřívější verze připomínaly člověka s megafonem vcházejícího do tiché přednáškové síně. Nové řešení se chová spíše jako někdo, kdo mluví tlumeným hlasem a přizpůsobuje se svému okolí.
Díky tomu umělý neuron neovládá biologický systém, ale skutečně s ním spolupracuje. Poprvé tak máme šanci na opravdu obousměrnou komunikaci: elektronika čte signály z neuronu a posílá mu odpověď v „jazyce", kterému rozumí.
Jak tato technologie může změnit medicínu a elektroniku
Samotné vytvoření jednoho umělého neuronu ještě neznamená, že zítra vznikne plně funkční „umělá mozková kůra". Směr je však jasný – čím lépe se naučíme stavět jednotlivé prvky, tím snazší bude jejich propojování do větších sítí.
Vědci vidí několik možných využití:
- nová generace neurologických implantátů – přesnější, méně invazivní, lépe přizpůsobené signálům mozku;
- náhrada poškozených oblastí mozku – umělé neurony by mohly převzít část úkolů ztracených buněk;
- neuromorfické procesory – elektronické obvody inspirované mozkem, výrazně úspornější než klasické CPU a GPU;
- lepší rozhraní mozek–počítač – jemnější komunikace s neurony, než jakou nabízejí současné systémy využívající kovové elektrody.
Díky provozu při napětí blízkém biologickému otevírají tyto obvody cestu k miniaturním, energeticky úsporným zdravotnickým zařízením, která bude možné nosit v těle po celá léta.
Čím nižší napětí a menší spotřeba energie, tím blíže jsme elektronice, která funguje jako tkáň, nikoli jako cizí těleso.
Co bude s výzkumem umělých neuronů dál
Prozatím jde o jediný prvek, který se v laboratorních podmínkách chová slibně. Další výzvy jsou zřejmé: je nutné ověřit stabilitu takového neuronu v delším časovém horizontu, jeho odolnost vůči změnám teploty, chemickým výkyvům a schopnost pracovat v síti s jinými buňkami.
Vědci budou muset také zjistit, jak nejlépe propojit mnoho umělých neuronů se živou tkání: kolik jich je zapotřebí, v jakých vzorcích a jak řídit jejich „učení". Do hry vstupuje nejen inženýrství, ale i etika – otázky o hranicích zásahů do mozku budou čím dál naléhavější.
Příležitosti i rizika: na co se připravit už dnes
Pokud se technologie vydá cestou lékařských aplikací, pacienti s Parkinsonovou nebo Alzheimerovou chorobou by mohli získat zcela nové terapeutické nástroje. Namísto pouhého zmírňování příznaků by lékaři dostali příležitost částečně obnovit funkce ztracených neuronů.
| Potenciální přínos | Možné riziko |
|---|---|
| Lepší léčba neurodegenerativních onemocnění | Příliš rychlé zavádění implantátů bez úplných bezpečnostních testů |
| Nové metody rehabilitace po mozkových příhodách a úrazech | Prohlubování nerovností v přístupu k pokročilým terapiím |
| Rozvoj energeticky úsporné elektroniky inspirované mozkem | Obavy o soukromí a kontrolu nad mozkovými daty |
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 modifikací lidského těla a o tom, kdo bude spravovat tak citlivá data, jako je neuronální aktivita.
Stojí také za připomenutí, že neurony nejsou jen „kabely" vedoucí impulzy. Každá buňka má vlastní chemii, metabolismus a reaguje na hormony i látky z okolního prostředí. Umělý neuron – byť sebelépe navržený – zatím napodobuje především elektrickou vrstvu. Proto bude ještě dlouho spíše podporou a protézou než plnohodnotnou náhradou živé tkáně.
Pro ty, kdo sledují vývoj umělé inteligence, se toto téma může zdát vzdálené, přesto tu existuje zajímavý most. Strojové učení a neuronové sítě v počítačích se biologií inspirují pouze symbolicky. Neuromorfická integrace se naopak pokouší přiblížit skutečnému mozku ze strany hardwaru. Pokud se tyto dva směry začnou propojovat, můžeme být svědky vzniku zcela nových typů „inteligentních" zařízení – nejen rychlých a chytrých, ale také bližších tomu, jak funguje náš vlastní nervový systém.
