Vědci z University of Massachusetts poprvé vytvořili elektronický prvek, který dovede přirozeně komunikovat s živými nervovými buňkami ve vlhkém prostředí podobném mozku. Zařízení pracuje při napětí srovnatelném s biologickými neurony a otevírá cestu k léčbě Parkinsonovy i Alzheimerovy choroby.
Lidský mozg tvoří hustá síť přibližně sta miliard neuronů neboli nervových buněk specializovaných na přenos informací. Podle dat Brain Institute má každý neuron tři hlavní části: buněčné tělo, dendrity a axon. Dendrity sbírají signály z jiných buněk, v těle neuronu dochází k jejich zpracování a axon funguje jako vodič, jímž putuje elektrický impuls k dalším neuronům. Za zlomek sekundy projde mozkem miliony takových impulsů a ty řídí naše pohyby, vnímání i paměť.
Problémy začínají ve chvíli, kdy neurony přestanou fungovat nebo odumřou. Poškození nervové sítě může vést k pohybovým poruchám jako Parkinsonova choroba, k poruchám vnímání nebo k závažným problémům s pamětí typickým pro Alzheimerovu nemoc. Na rozdíl od mnoha jiných typů buněk se neurony nesnadno obnovují. Jednou ztracené zpravidla zmizí navždy. Proto neurologie a biomedicínské inženýrství už roky hledají způsob, jak nervové buňky chránit nebo nahradit.
Zvláštní význam má technologie, která dokáže napodobit činnost neuronu natolik věrně, aby ji mozek rozpoznal jako vlastní. Právě takový průlom nyní popisuje tým z University of Massachusetts v časopise Nature Communications.
Co znamená neuromorfní integrace a proč na ní tolik záleží
Nový umělý neuron z Massachusetts navazuje na širší trend zvaný neuromorfní integrace. Jde o navrhování elektroniky tak, aby co nejvěrněji kopírovala strukturu i chování neuronů a synapsí. Namísto klasického lineárního zpracování dat, jaké známe z tradičních procesorů, se neuromorfní obvody snaží fungovat spíše jako mozek: paralelně, energeticky úsporně a pomocí krátkých impulsů.
V laboratořích proto vznikají speciální čipy, umělé synapse a nové typy tranzistorů, které se učí a adaptují. Zatím se ale mnoho takových pokusů rozbíjelo o nedostatečnou kompatibilitu s biologií. Zařízení buď fungovala v příliš suchých a sterilních podmínkách, nebo vysílala příliš silné elektrické signály, které nesouhlasily s jemnou chemií mozku.
Badatelé z University of Massachusetts dokázali tyto bariéry prolomit. Jejich umělý neuron komunikuje s živým neuronem způsobem velmi blízkým přirozenému a navíc pracuje ve vlhkém prostředí podobném tomu, v němž fungují nervové buňky. Klíčem se ukázaly proteinové nanovlákna neboli mikroskopické vodiče vytvářené bakteriemi. V přírodě jim pomáhají přichytit se k povrchům a vyměňovat si elektrony. Inženýři využili tuto vlastnost ke stavbě vodivé struktury, kterou lze ponořit do roztoku podobného tekutině obklopující neurony.
Jak fungují proteinová nanovlákna v umělém neuronu
Proteinová nanovlákna působí jako jemné přirozené vodiče, které dokážou komunikovat s elektronikou i živou tkání současně. To je důležité ze dvou důvodů. Zaprvé může takový umělý neuron fyzicky koexistovat s nervovými buňkami, aniž by vyžadoval sterilní a suché podmínky typické pro mnoho klasických obvodů. Zadruhé je dostatečně citlivý, aby pracoval při napětích blízkých těm, které generuje náš mozg.
Dřívější konstrukce umělých neuronů odebíraly až desetinásobně vyšší napětí než přirozené nervové buňky. To se promítalo do stonásobně vyšší spotřeby energie a příliš silného signálu, který biologie nedokázala správně přijímat. Nový prvek pracuje při napětí kolem jedné desetiny voltu, tedy zhruba stejně jako lidský neuron.
Podle slov jednoho z inženýrů připomínaly dřívější verze člověka s megafonem, který vtrhne do tiché posluchárny. Nové řešení se naopak chová spíše jako osoba, jež mluví potichu a přizpůsobuje tón okolí. Díky tomu umělý neuron nedominuje biologickému systému, ale skutečně s ním spolupracuje. Poprvé máme šanci na opravdovou obousměrnou komunikaci: elektronika čte signály z neuronu a posílá mu odpověď v jazyce, kterému rozumí.
Jaké možnosti přináší umělé neurony pro medicínu a technologie
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 je propojovat do větších sítí. Vědci vidí několik možných aplikací:
- nová generace neurologických implantátů přesnějších, méně invazivních a lépe sladěných se signály mozku
- náhrada poškozených oblastí mozku pomocí umělých neuronů, které by převzaly úkoly ztracených buněk
- neuromorfní procesory inspirované mozkem a mnohem úspornější než klasické CPU nebo GPU
- zdokonalené rozhraní mezi mozkem a počítačem s jemnější komunikací než současné systémy využívající kovové elektrody
- dlouhodobě nositelná miniaturní lékařská zařízení pracující při biologickém napětí
- podpora terapie u Parkinsonovy choroby nebo Alzheimerovy nemoci částečnou obnovou funkcí ztracených neuronů
Prací při napětí blízkém biologickému takové obvody otevírají cestu k miniaturním energeticky úsporným lékařským přístrojům, které bude možné nosit v těle po léta. Čím nižší napětí a menší spotřeba energie, tím blíže jsme elektronice, která funguje jako tkáň a ne jako cizí těleso.
Kde jsou hranice současné technologie umělých neuronů
Zatím máme jeden prvek, který se v laboratorních podmínkách chová slibně. Další výzvy jsou zřejmé: je třeba prověřit stabilitu takového neuronu po delší čas, jeho odolnost vůči teplotním změnám, chemickým výkyvům a schopnost pracovat v síti s jinými buňkami. Vědci budou muset také stanovit, jak nejlépe propojovat mnoho umělých neuronů se živou tkání. Kolik jich je potřeba, v jakých vzorcích, jak kontrolovat jejich učení.
Neurony nejsou jen kabely vedoucí impulsy. Každá buňka má vlastní chemii, metabolismus a reaguje na hormony i látky z okolí. Umělý neuron, byť velmi pokročilý, zatím napodobuje především elektrickou vrstvu. Proto bude po dlouhou dobu spíše podporou a protézou než plnohodnotnou náhradou živé tkáně.
Do hry navíc nevstupuje jen inženýrství, ale také etika. Otázky ohledně hranic zásahů do mozku budou stále naléhavější. Rozhraní spojující mozek s elektronikou vždycky vzbuzují napětí mezi fascinací a obavami. Na jedné straně lákají vizí obnovy ztracených funkcí, na druhé nutí přemýšlet o hranicích modifikace člověka a o tom, kdo bude spravovat tak citlivá data jako neuronální aktivitu.
Umělé neurony jako most mezi biologií a umělou inteligencí
Pro lidi sledující rozvoj umělé inteligence může toto téma připadat vzdálené, existuje tu ale zajímavé propojení. Strojové učení a neuronové sítě v počítačích se biologií inspirují pouze symbolicky. Neuromorfní integrace se naopak pokouší přiblížit skutečnému mozgu hardwarově. Pokud se tyto dva směry začnou spojovat, můžeme zahlédnout zcela nové typy inteligentních zařízení – nejen rychlé a chytré, ale také bližší tomu, jak funguje náš vlastní nervový systém.
Vědci z University of Massachusetts prokázali, že elektronika a živá tkáň mohou spolupracovat na rovnocenné úrovni. Pokud se podaří tuto technologii škálovat a propojit s dalšími výzkumy v oblasti neurovědní a materiálů, získáme nástroje k léčbě nemocí, které dnes dokážeme jen zmírňovat. Otázkou zůstává, jak rychle dokážeme překonat technické překážky a jak důkladně zvážíme etické důsledky takových zásahů. Budeš sledovat, kam tato technologie povede, nebo ti přijde stále příliš vzdálená?
