Vědcům se poprvé podařilo vytvořit umělou nervovou buňku, která si rozumí s biologickými neurony a pracuje při napětí srovnatelném s lidským mozkem. Průlom z univerzitní laboratoře může změnit léčbu Parkinsonovy choroby i budoucnost neuromorfních čipů.
Mozek patří k nejsložitějším orgánům v lidském těle. Podle odhadů obsahuje kolem 100 miliard neuronů, tedy specializovaných nervových buněk. Každý neuron se skládá z těla buňky, husté sítě výběžků přijímajících signály, které nazýváme dendrity, a dlouhého vlákna – axonu – jímž impuls pokračuje dál.
Celý proces funguje zhruba takto: neuron přijímá informaci skrze dendrity, zpracovává ji v těle buňky a následně vysílá elektrický impuls axonem k dalším buňkám. Tak vznikají myšlenky, pohyb, vnímání bolesti, pachů nebo zvuků. Když se řetězec přeruší, důsledky se okamžitě projeví na fungování celého organismu.
Poškození nebo smrt části neuronů může vést k nemocem, jako je Parkinsonova choroba, vážné poruchy pohybu, problémy s čitím a také postupné ztráty paměti, charakteristické pro Alzheimerovu chorobu. Proto každý nástroj, který umožňuje lépe kontrolovat, napodobit nebo nahradit neuron, vzbuzuje velké nadšení mezi lékaři a inženýry.
Proč se neurony neobnovují a co z toho vyplývá
Na rozdíl od mnoha jiných buněk našeho těla se neurony prakticky samovolně neregenerují. Pokud odumřou, organismus je zpravidla nedokáže obnovit. To způsobuje, že poškození mozku či míchy bývají často nevratná a následky úrazů nebo nemocí zůstávají člověku po celý život.
Roky probíhají práce na technologiích, které by mohly podpořit nebo částečně nahradit poškozené nervové buňky. Jedním z nejzajímavějších směrů je takzvaná neuromorfní integrace, tedy vytváření elektronických obvodů inspirovaných stavbou a fungováním mozku. Jde o to, aby procesory nebo speciální čipy zpracovávaly informace podobně jako sítě neuronů, místo aby prováděly jen jednoduché, lineární výpočty.
Dosavadní pokusy o vytváření umělých neuronů však byly výrazně omezené. Zařízení nejčastěji vyžadovala vysoké napětí, spotřebovávala příliš mnoho energie a těžko se „zasazovala“ do citlivého, biologického prostředí. K tomu jejich způsob předávání informací se výrazně lišil od přirozeného jazyka neuronů, takže komunikace s buňkami těla byla málo přesná.
Jak vědci z Univerzity Massachusetts vyřešili problém s napětím
Výzkumný tým z Univerzity Massachusetts se rozhodl tento problém vyřešit radikálně jinak. Jak vyplývá z publikované práce, podařilo se jim zkonstruovat umělý neuron, který funguje při napětí blízkém tomu, jaké využívá lidský mozek – přibližně 0,1 voltu. To je nesrovnatelně méně než předchozí konstrukce, které vyžadovaly dokonce desetinásobně vyšší napětí a spotřebovávaly stokrát více energie.
Srdcem nového řešení je obvod s proteinovými nanovlákny, který dokáže předávat elektrický signál jemným, tichým způsobem velmi podobným přirozené aktivitě neuronů. Co je klíčové, tento umělý neuron nejen generuje impulsy, ale také reálně komunikuje s pravými nervovými buňkami. Vědci ukázali, že zařízení umí vysílat signály, které biologický neuron přijímá, interpretuje a reaguje na ně. Celek pracuje ve vlhkém prostředí, podobném tomu, které panuje v mozku nebo v nervových tkáních.
Proteinová nanovlákna hrají v celém systému zásadní úlohu. Jde o neuvěřitelně tenká vlákna sestavená z bílkovin, které vyrábějí bakterie. Tato nanovlákna se dokážou připojovat k různým povrchům a přenášet elektrony podél své struktury. Můžete si je představit jako supertenké, biologické drátky, které spojují svět elektroniky se živými buňkami.
Taková vlákna skvěle snášejí vodní prostředí, ve kterém běžná elektronika často selhává. Díky tomu může umělý neuron pracovat v podobných podmínkách jako skutečné neurony, aniž by ho bylo nutné hermeticky izolovat od okolí.
- Elektrický signál je podobný přirozenému nervovému impulsu co do napětí
- Energie potřebná k provozu obvodu klesá až stokrát oproti dřívějším projektům
- Proteinová nanovlákna jsou kompatibilní s vlhkým, biologickým prostředím
- Komunikace s biologickým neuronem probíhá plynule, bez rušení silnějším impulsem
- Konstrukce funguje při napětí kolem 0,1 voltu, stejně jako lidský mozek
- Zařízení dokáže reagovat na signály z pravých nervových buněk
- Bakteriální nanovlákna umožňují přenos elektronů v biologicky přátelském prostředí
Jaké má umělý neuron využití v medicíně a informatice
Vědci vidí několik přímých aplikací takového řešení. V první řadě myslí na medicínu a přesná rozhraní mozek–stroj. Jemné, energeticky úsporné umělé neurony by v budoucnu mohly propojovat části mozku odpovědné za pohyb, čití nebo paměť a pomáhat tam, kde jsou poškozena přirozená spojení.
V praxi to může znamenat například citlivější a stabilnější implantáty pro lidi po mrtvicích, novou generaci stimulátorů pro pacienty s Parkinsonovou chorobou nebo obvody podporující vytváření nových nervových spojů při poškozeních míchy. Podmínka je jedna: umělé neurony musí opravdu „rozumět“ tomu, co zbylo z biologické sítě, aniž by narušovaly její práci.
Čím blíže se technologie přibližuje způsobu fungování skutečných neuronů, tím větší šance, že ji organismus přijme jako přirozený prvek nervové sítě. Neuromorfní integrace má rovněž obrovský význam pro informatiku a elektroniku. Obvody inspirované mozkem mohou být mnohem úspornější než klasické procesory a přitom lépe zvládat úkoly vyžadující „intuici“: rozpoznávání obrazů, analýzu řeči nebo rychlé rozhodování na základě neúplných dat.
Vědci z Massachusetts zdůrazňují, že jejich konstrukce otevírá cestu k zařízením, která nebudou jen pasivně číst signály z mozku, ale aktivně se zapojí do nervové komunikace. To je zásadní rozdíl oproti dosavadním neuroprotézám, které hlavně zaznamenávaly elektrickou aktivitu, ale těžko ji ovlivňovaly přirozeným způsobem.
Jak blízko jsme skutečným implantátům a neuromorfním čipům
Ačkoli to zní jako scénář ze sci-fi filmu, cesta k praktickým implantátům nebo počítačům s umělými neurony v hlavní roli se už dá načrtnout. Ještě je třeba vyřešit několik obtížných otázek: jak zajistit dlouhodobou stabilitu takových prvků v organismu, jak se vyhnout imunitním reakcím a jak řídit tisíce, ba dokonce miliony umělých neuronů najednou.
Inženýři také pracují na tom, aby se takové obvody uměly učit, podobně jako to dělá přirozená nervová síť. To znamená nutnost navrhnout „umělé synapsy“, které postupem času posilují nebo oslabují spojení v závislosti na přicházejících signálech. Teprve kombinace obojího – neuronů a synapsí – umožní přiblížit se plasticitu lidského mozku.
Pro běžného člověka je nejzajímavější pravděpodobně to, že tato technologie může jednou splynout s řešeními, která už známe z každodenního života: umělá inteligence ve smartphonech, pokročilé protézy nebo chytré asistence při práci lékařů. Pokud umělý neuron dokáže komunikovat s nervovou tkání, nic nebrání tomu, aby podobné obvody se jednou staly „překladatelem“ mezi mozkem a inteligentními zařízeními kolem nás.
Stojí také za zmínku etická stránka věci. Čím lépe se naučíme zasahovat do aktivity mozku, tím hlasitěji se objeví otázky ohledně hranic takového zásahu: kdo kontroluje nervová data, je možná manipulace s chováním, jak zabezpečit obvody mozek–počítač před hackerskými útoky. Diskuse o umělém neuronu nekončí v laboratoři – velmi rychle přejde do ordinací lékařů, kanceláří právníků a bioetických komisí.
Co si odnést z objevu vědců z Massachusetts
Průlom z Univerzity Massachusetts ukazuje, že hranice mezi biologií a elektronikou se rychle stírá. Umělý neuron pracující při nízkém napětí, kompatibilní s vlhkým prostředím a schopný plynule komunikovat s živými buňkami otevírá dveře k novým terapiím i počítačovým architekturám. Proteinová nanovlákna z bakterií se ukázala jako ideální most mezi světem čipů a nervovou tkání.
Pro pacienty s neurologickými onemocněními to může v budoucnu znamenat naději na přesnější implantáty, které nebudjen zaznamenávají, ale aktivně napravují přerušená spojení. Pro vývojáře to představuje inspiraci k energeticky úsporným procesorům, které myslí spíš jako mozek než jako kalkulačka. A pro společnost jako celek je to připomínka, že revoluce v neurovědě a medicíně už není záležitostí vzdálené budoucnosti, ale probíhá právě teď – v laboratořích, kde malé umělé buňky poprvé začaly rozumět lidským neuronům.
