Vědci z University of Massachusetts vytvořili elektronický obvod, který nejen napodobuje mozkové signály, ale funguje i ve vlhkém prostředí podobném tomu, ve kterém pracují skutečné neurony.
Výsledky publikované v časopise Nature Communications mohou kompletně změnit přístup k léčbě neurologických onemocnění i k navrhování elektroniky inspirované mozkem. Tým z Massachusetts poprvé dosáhl skutečné obousměrné komunikace mezi umělým a biologickým neuronem.
Mozek představuje hustou síť propojení. Podle údajů Institutu pro výzkum mozku ho tvoří přibližně 100 miliard neuronů, tedy nervových buněk specializovaných na přenos informací. Každá z nich se skládá ze tří hlavních částí: těla buňky, dendritů a axonu. Právě tyto komponenty umožňují neuronům vytvářet složité vzorce komunikace.
Dendrity sbírají signály z jiných buněk. V těle buňky dochází k jejich zpracování a axon funguje jako kabel, kterým proudí elektrický impuls k dalším neuronům. Ve zlomku sekundy mozkem projdou miliony takových impulsů – od nich závisí to, jak se pohybujete, co cítíte a co si pamatujete. Tento systém je však mimořádně křehký a náchylný k poškození.
Proč odumírání neuronů představuje tak velký problém
Potíže začínají ve chvíli, kdy neurony přestanou fungovat nebo odumřou. Poškození nervové sítě může vést k širokému spektru zdravotních komplikací, které dramaticky ovlivňují kvalitu života pacientů.
Na rozdíl od mnoha jiných typů buněk se neurony neobnovují snadno. Jednou ztracené obvykle zmizí natrvalo. Z tohoto důvodu neurologie a biomedicínské inženýrství už léta hledají způsob, jak je chránit nebo nahradit.
Poškození neuronové sítě způsobuje:
- poruchy pohybu, například Parkinsonovu chorobu
- poruchy citlivosti a vnímání reality
- vážné problémy s pamětí, jako při Alzheimerově nemoci
- narušení kognitivních funkcí a rozhodování
- ztrátu kontroly nad svalovými pohyby
- problémy s řečí a komunikací
- změny osobnosti a emočního prožívání
Zvláštní význam má technologie, která dokáže napodobovat práci neuronu natolik věrně, aby ji mozek „považoval“ za svou. Dosavadní pokusy se však rozbíjely o neschopnost fungovat v biologickém prostředí nebo o příliš silné elektrické signály nekompatibilní s jemnou chemií mozku.
Co znamená neuromorfická integrace v praxi
Nový umělý neuron z Massachusetts zapadá do širšího trendu zvaného neuromorfická integrace. Jde o navrhování elektroniky takovým způsobem, aby co nejvěrněji kopírovala strukturu i chování neuronů a synapsí.
Namísto klasického, lineárního zpracování dat, jako v tradičních procesorech, se neuromorfické obvody snaží fungovat spíše jako mozek: paralelně, úsporně energeticky a s využitím krátkých impulsů. V laboratořích tedy vznikají speciální čipy, umělé synapse a nové typy tranzistorů, které se učí a přizpůsobují.
Dosud se mnoho takových pokusů rozbilo o nedostatečnou kompatibilitu s biologií. Zařízení buď fungovala v příliš suchých, sterilních podmínkách, nebo vysílala příliš silné elektrické signály, které neladily s citlivou chemií mozku. Týmu z University of Massachusetts se však podařilo tyto bariéry překonat.
Vědci vytvořili neuron, který dokáže komunikovat se skutečným neuronem způsobem velmi podobným přirozenému, a navíc pracuje ve vlhkém prostředí podobném tomu, ve kterém fungují nervové buňky. Klíčem se ukázaly být proteinové nanovlákna – mikroskopické vodiče vytvářené bakteriemi.
Jak fungují proteinová nanovlákna v umělém neuronu
V přírodě pomáhají proteinová nanovlákna bakteriím přichytávat se k povrchům a vyměňovat elektrony. Inženýři využili tuto vlastnost ke konstrukci vodivé struktury, kterou lze ponořit do roztoku podobného tekutině obklopující neurony.
Proteinová nanovlákna působí jako jemné, přirozené vodiče, které „rozumí“ jak elektronice, tak živé tkáni. To je důležité ze dvou důvodů. Zaprvé, takový umělý neuron může fyzicky koexistovat s nervovými buňkami, aniž by vyžadoval sterilní, suché podmínky jako mnoho klasických obvodů.
Zadruhé je dostatečně citlivý na to, aby pracoval při napětích blízkých těm, která generuje náš mozek. Tato vlastnost představuje zásadní rozdíl oproti předchozím konstrukcím, které vyžadovaly mnohem vyšší napětí a spotřebovávaly násobně více energie.
Dřívější konstrukce umělých neuronů odebíraly dokonce desetinásobně vyšší napětí než přirozené nervové buňky. To se promítalo do stokrát vyššího počtu energetické spotřeby a příliš silného signálu, kvůli čemuž ho biologie nemohla správně přijímat. Nový prvek pracuje při napětí kolem 0,1 voltu – přibližně takovém, jaké generuje lidský neuron.
Energie odpovídající skutečnému mozku mění vše
Podle slov jednoho z inženýrů připomínaly předchozí verze křiklounů s megafonem, kteří vpadnou do tiché přednáškové místnosti. Nové řešení se chová spíše jako osoba, která mluví pološeptem a přizpůsobuje 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. Tento průlom otevírá cestu k zařízením, která mohou dlouhodobě fungovat uvnitř lidského těla.
Čím nižší napětí a menší spotřeba energie, tím blíže jsme elektronice, která funguje jako tkáň, a ne jako cizí těleso. Pracovníci z University of Massachusetts zdůrazňují, že právě tento aspekt může v budoucnu umožnit miniaturní implantáty fungující roky bez výměny baterie.
Vědci vidí několik možných aplikací. Nová generace neurologických implantátů by mohla být přesnější, méně invazivní a lépe přizpůsobená mozkovým signálům. Umělé neurony by také mohly převzít část úkolů ztracených buněk při protézování poškozených oblastí mozku.
Jaká jsou další možná využití této technologie
Neuromorfické procesory představují další slibnou oblast aplikace. Elektronické obvody inspirované mozkem jsou výrazně úspornější energeticky než klasické CPU a GPU, což je činí atraktivními pro budoucí výpočetní systémy.
Lepší rozhraní mezi mozkem a počítačem by mohla přinést jemnější komunikaci s neurony než současné systémy využívající kovové elektrody. Takové pokroky by mohly pomoci pacientům s ochrnutím ovládat protézy myšlenkami nebo lidem s poruchami řeči znovu komunikovat.
Pracující při napětí blízkém biologickému otevírají tyto obvody cestu k miniaturním, energeticky úsporným zdravotnickým zařízením, která bude možné nosit v těle po léta. Zatím však máme jediný prvek, který se chová slibně v laboratorních podmínkách.
Další výzvy jsou zřejmé: je třeba ověřit stabilitu takového neuronu po delší dobu, jeho odolnost vůči změnám teploty, chemickým fluktuacím a schopnost pracovat v síti s jinými buňkami. Vědci budou muset také určit, jak nejlépe propojovat více takových umělých neuronů s živou tkání.
Co nás čeká v budoucnosti výzkumu umělých neuronů
Pokud technologie zamíří směrem k medicínským aplikacím, pacienti s Parkinsonovou nebo Alzheimerovou chorobou mohou získat naprosto nové terapeutické nástroje. Místo pouhého zmírňování příznaků by lékaři dostali šanci na částečnou obnovu funkcí ztracených neuronů.
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 modifikování člověka a o tom, kdo bude spravovat tak citlivá data, jako je neuronální aktivita. Etické otázky budou s rozvojem technologie narůstat.
Stojí za zmínku, že neurony nejsou pouze „kabely“ vedoucí impulsy. Každá buňka má vlastní chemii, metabolismus, reaguje na hormony a látky z okolí. Umělý neuron – i velmi pokročilý – zatím napodobuje hlavně elektrickou vrstvu. Proto bude dlouhou dobu spíše podporou a protézou než plnohodnotnou náhradou živé tkáně.
Pro osoby sledující vývoj umělé inteligence může toto téma působit vzdáleně, ale existuje tu zajímavé propojení. Strojové učení a neuronové sítě v počítačích se inspirují biologií pouze symbolicky. Neuromorfická integrace se pokouší přiblížit skutečnému mozku ze strany hardwaru. Pokud se tyto dva směry začnou propojovat, můžeme spatřit zcela nové typy inteligentních zařízení – nejen rychlá a chytrá, ale také bližší tomu, jak funguje náš vlastní nervový systém. Nelze očekávat okamžité převratné změny, ale směr výzkumu ukazuje na budoucnost, ve které se hranice mezi biologií a elektronikou postupně stírá.
