Vědci z University of Massachusetts vytvořili elektronický prvek, který dokáže vyměňovat signály s živými nervovými buňkami ve vlhkém prostředí podobném mozku. Poprvé v historii funguje při napětí srovnatelném s biologickými neurony.
Výzkumníci popsali v časopise Nature Communications systém, který nejen napodobuje mozkové signály, ale zvládá pracovat v podmínkách blízkých těm, ve kterých fungují skutečné neurony. Taková technologie může kompletně změnit přístup k léčbě neurologických onemocnění a vývoji elektroniky inspirované mozkem.
Mozek představuje hustou síť kabelů. Podle dat 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: buněčného těla, dendritů a axonu. Dendrity sbírají signály z jiných buněk, v buněčném těle probíhá jejich zpracování a axon funguje jako vodič, kterým běží elektrický impuls k dalším neuronům.
Za zlomek sekundy projde mozkem miliony takových impulsů. Od nich závisí, jak se pohybuješ, co cítíš a co si pamatuješ. Problém začíná ve chvíli, kdy neurony přestanou fungovat nebo odumřou. Na rozdíl od mnoha jiných typů buněk se neurony neobnovují snadno. Jednou ztracené obvykle zmizí natrvalo. Právě proto neurologie a biomedicínské inženýrství už roky hledají způsob, jak je chránit nebo nahradit.
Proč jsou neurony tak křehké a co se stane při jejich ztrátě
Poškození nervové sítě může vést k závažným následkům. Mezi nejčastější patří poruchy pohybu, jako je Parkinsonova choroba, kdy odumírají neurony produkující dopamin v bazálních gangliích. Další skupinou jsou poruchy vnímání a smyslové percepce, kdy mozek nedokáže správně zpracovat informace z očí, uší nebo pokožky.
Závažné problémy s pamětí představují třetí kategorii. U Alzheimerovy choroby postupně mizí neurony v hippocampu a mozkové kůře, což vede k rozpadu krátkodobé i dlouhodobé paměti. Lidé ztrácejí schopnost rozpoznávat blízké, orientovat se v prostoru nebo si zapamatovat důležité události.
Obzvláštní význam má technologie, která dokáže napodobit práci neuronu natolik věrně, že mozek ji „uzná“ za svou. Právě tímto směrem se vydali vědci z Massachusetts. Jejich cílem bylo vytvořit elektronický prvek, který nejen vysílá a přijímá signály, ale dělá to způsobem kompatibilním s živou tkání.
Co znamená neuromorfická integrace v praxi
Nový umělý neuron z Massachusetts zapadá do širšího trendu zvaného neuromorfická integrace. Jde o navrhování elektroniky tak, aby co nejvěrněji kopírovala strukturu i chování neuronů a synapsí. Místo klasického lineárního zpracování dat, jako v tradičních procesorech, se neuromorfické obvody snaží fungovat spíše jako mozek: paralelně, úsporně z hlediska energie a s využitím krátkých impulsů.
V laboratořích po celém světě vznikají speciální čipy, umělé synapse a nové typy tranzistorů, které se učí a adaptují. Dosud se ale mnoho pokusů rozbilo o nedostatečnou kompatibilitu s biologií. Zařízení buď fungovala v příliš suchých sterílních podmínkách, nebo vysílala příliš silné elektrické signály, které neodpovídaly jemné chemii mozku.
Vědci z University of Massachusetts tvrdí, že dokázali tyto bariéry prolomit. Jejich umělý neuron komunikuje se skutečným neuronem způsobem velmi blízkým přirozenému a pracuje ve vlhkém prostředí podobném tomu, v jakém fungují nervové buňky. Klíčem se ukázaly být proteinové nanovlákna, mikroskopické vodiče vytvářené bakteriemi.
V přírodě pomáhají bakteriím přichytit se k povrchům a vyměňovat elektrony. Inžinýři využili tuto vlastnost k sestavení vodivé struktury, kterou lze ponořit do roztoku podobného tekutině obklopující neurony. Proteinové nanovlákna fungují jako jemné přírodní vodiče, které se dokážou domluvit jak s elektronikou, tak s živou tkání.
Jak umělý neuron zvládá pracovat při napětí jako lidský mozek
Dřívější konstrukce umělých neuronů odebíraly až desetinásobně vyšší napětí než přirozené nervové buňky. To se promítalo do stonásobně většího příjmu energie a příliš silného signálu, který biologie nedokázala správně přijmout. Nový prvek pracuje při napětí kolem 0,1 voltu, zhruba takovém, jaké generuje lidský neuron.
Podle slov jednoho z inženýrů připomínaly předchozí verze křikloun s megafonem, který vchází do tiché přednáškové síně. Nové řešení se chová spíše jako člověk, který mluví potichu 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. To je zásadní rozdíl oproti klasickým elektrodám z kovu, které fungují spíše jako hrubé snímače než jako jemné komunikační rozhraní.
Pracovat při biologickém napětí znamená být blíž elektronice, která funguje jako tkáň, ne jako cizí těleso. Čím nižší napětí a menší spotřeba energie, tím bližší jsme miniaturním zařízením, která bude možné nosit v těle po mnoho let bez nutnosti výměny baterie nebo externího napájení.
Jaké konkrétní využití vidí výzkumníci v medicíně a IT
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 spojit do větších sítí. Vědci vidí několik možných aplikací, které by mohly změnit nejen medicínu, ale i informační technologie.
Na prvním místě stojí nová generace neurologických implantátů. Budou přesnější, méně invazivní a lépe přizpůsobené signálům mozku. Druhým směrem je protézování poškozených oblastí mozku, kde by umělé neurony mohly převzít část úkolů ztracených buněk.
Třetí oblastí jsou neuromorfické procesory. Jde o elektronické obvody inspirované mozkem, které jsou výrazně úspornější než klasické CPU a GPU od firem jako Intel nebo NVIDIA. Čtvrtou možností jsou vylepšené rozhraní mezi mozkem a počítačem, kde by jemnější komunikace nahradila dnešní systémy používající kovové elektrody.
Další perspektivy zahrnují:
- Miniaturní senzory pro monitorování mozkové aktivity u epilepsie
- Implantáty pro pacienty s poškozením míchy umožňující obnovu motorických funkcí
- Experimentální terapie u demence využívající stimulaci hippocampu
- Energeticky úsporné nosiče signálů pro dlouhodobé sledování neurodegenerativních chorob
- Prototypy chytrých protéz, které reagují přímo na nervové impulsy
- Výzkumné platformy pro testování léčiv působících na nervový systém
- Hybridní obvody kombinující křemíkové čipy s živými neurony pro robotiku
- Pokročilé systémy pro rehabilitaci po cévní mozkové příhodě
Co musí vědci ještě vyřešit před klinickým použitím
Zatím 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. Výzkumníci budou muset také určit, jak nejlépe spojit mnoho umělých neuronů s živou tkání.
Kolik jich je zapotřebí? V jakých vzorcích? Jak kontrolovat jejich učení? Do hry vstupuje nejen inženýrství, ale také etika. Otázky týkající se hranic zásahů do mozku budou stále častější, zejména když se technologie přiblíží klinické praxi.
Univerzity jako Stanford, MIT nebo ETH Zürich už dnes pracují na podobných projektech. Konkurence urychlí vývoj, ale také zvýší tlak na bezpečnostní standardy. Regulační orgány jako FDA v USA nebo EMA v Evropě budou muset definovat pravidla pro testování a schvalování takových zařízení.
Jaké šance a rizika přináší propojení mozku s elektronikou
Pokud technologie zamíří směrem k medicínským aplikacím, pacienti s Parkinsonovou chorobou nebo Alzheimerovou nemocí mohou získat zcela nové nástroje terapie. Místo pouhého zmírňování příznaků by lékaři dostali šanci částečně obnovit funkce ztracených neuronů. To by znamenalo revoluci srovnatelnou se zavedením antibiotik v minulém století.
Rozhraní spojující mozek s elektronikou vždy vyvolávají napětí mezi fascinací a obavami. Na jedné straně lákají vizí obnovení ztracených funkcí, na druhé nutí přemýšlet o hranicích modifikace člověka a o tom, kdo bude spravovat tak citlivá data, jako je neuronální aktivita. Otázky kybernetické bezpečnosti a soukromí budou klíčové.
Stojí také za připomenutí, že neurony nejsou jen kabely vedoucí impulsy. Každá buňka má vlastní chemii, metabolismus, reaguje na hormony a látky z okolí. Umělý neuron, i ten velmi pokročilý, zatím napodobuje hlavně elektrickou vrstvu. Proto bude dlouho spíše podporou a protézou než plnohodnotnou náhradou živé tkáně.
Pro lidi sledující vývoj umělé inteligence může téma znít vzdáleně, existuje tu však zajímavá spojnice. Strojové učení a neuronové sítě v počítačích se inspirují biologií jen symbolicky. Neuromorfická integrace se snaží přiblížit skutečnému mozku z hardwarové stránky. Pokud se tyto dva směry začnou spojovat, můžeme vidět úplně nové typy inteligentních zařízení: nejen rychlé a chytré, ale také bližší tomu, jak funguje náš vlastní nervový systém. Zajímá tě, jak dlouho potrvá, než tato technologie opustí laboratoře a vstoupí do běžné medicínské praxe?
