Elektronický obvod, který mluví jazykem mozku
Vědci z Univerzity v Massachusetts sestrojili elektronický obvod schopný napodobovat mozkové signály — a navíc funguje ve vlhkém prostředí, které se nápadně podobá podmínkám, v nichž pracují skutečné nervové buňky.
Výsledky zveřejněné v časopise Nature Communications mohou zásadně proměnit jak léčbu neurologických onemocnění, tak vývoj elektroniky inspirované fungováním mozku. Tým z Massachusetts jako první dosáhl skutečné obousměrné komunikace mezi umělým a biologickým neuronem.
Jak mozek vlastně funguje
Mozek je nesmírně hustá síť vzájemně propojených buněk. Tvoří ho přibližně 100 miliard neuronů — specializovaných nervových buněk určených k přenosu informací. Každý neuron se skládá ze tří klíčových částí: těla buňky, dendritů a axonu, přičemž právě tato trojice umožňuje vznik složitých komunikačních vzorců.
Dendrity zachycují příchozí signály z okolních buněk. Tělo neuronu je zpracovává a axon pak slouží jako vodič, po němž elektrický impuls putuje k dalším neuronům. Ve zlomku sekundy projdou mozkem miliony takových impulsů — a právě na nich závisí pohyb, vnímání i paměť. Přesto je celý systém mimořádně zranitelný.
Proč je odumírání neuronů tak závažným problémem
Potíže nastávají ve chvíli, kdy neurony přestanou plnit svou funkci nebo zcela zaniknou. Poškození nervové sítě se projevuje širokým spektrem zdravotních komplikací, jež dramaticky snižují kvalitu života.
Na rozdíl od mnoha jiných buněk v těle se neurony regenerují jen velmi obtížně. Jednou ztracené obvykle zmizí natrvalo, a proto neurologie i biomedicínské inženýrství po léta hledají způsoby, jak je chránit nebo nahradit.
Poškození neuronové sítě může způsobovat:
- poruchy pohybu, například Parkinsonovu chorobu
- narušení citlivosti a vnímání reality
- závažné problémy s pamětí, jako při Alzheimerově nemoci
- zhoršení kognitivních funkcí a schopnosti rozhodování
- ztrátu kontroly nad svalovými pohyby
- obtíže s řečí a komunikací
- změny osobnosti a emočního prožívání
Technologie schopná napodobovat práci neuronu natolik věrně, aby ji mozek považoval za svou vlastní, má proto obrovský potenciál. Dosavadní pokusy však narážely na neschopnost fungovat v biologickém prostředí nebo na příliš silné elektrické signály neslučitelné s jemnou chemií mozku.
Co je neuromorfická integrace a proč na ní záleží
Nový umělý neuron z Massachusetts zapadá do širšího technologického směru označovaného jako neuromorfická integrace. Jde o přístup k navrhování elektroniky tak, aby co nejvěrněji kopírovala strukturu i chování neuronů a synapsí.
Místo klasického lineárního zpracování dat, typického pro tradiční procesory, se neuromorfické obvody snaží fungovat podobně jako mozek: paralelně, energeticky úsporně a prostřednictvím krátkých impulsů. V laboratořích proto vznikají speciální čipy, umělé synapse i nové typy tranzistorů schopných učení a adaptace.
Řada předchozích pokusů ztroskotala na nedostatečné biologické kompatibilitě. Zařízení buď vyžadovala příliš suché a sterilní podmínky, nebo vysílala signály tak silné, že je citlivá mozková chemie nedokázala správně přijmout. Týmu z Univerzity v Massachusetts se však tyto překážky podařilo překonat.
Vědci sestrojili neuron komunikující se skutečnou nervovou buňkou způsobem velmi blízkým přirozenému přenosu signálů — a navíc funkční ve vlhkém prostředí odpovídajícím podmínkám živých nervových buněk. Klíčem k úspěchu se ukázala být proteinová nanovlákna, mikroskopické vodiče produkované bakteriemi.
Jak proteinová nanovlákna umělý neuron mění
V přírodě pomáhají proteinová nanovlákna bakteriím přichytávat se k povrchům a vyměňovat elektrony. Inženýři využili tuto vlastnost k vytvoření vodivé struktury, kterou lze ponořit do roztoku podobného tekutině obklopující nervové buňky.
Proteinová nanovlákna fungují jako jemné, přirozené vodiče, jež „rozumí“ jak elektronice, tak živé tkáni. To je zásadní ze dvou důvodů. Zaprvé, takový umělý neuron může fyzicky koexistovat s nervovými buňkami, aniž by potřeboval sterilní a suché prostředí typické pro klasické obvody.
Zadruhé je nový prvek dostatečně citlivý na to, aby pracoval při napětích blízkých těm, která generuje lidský mozek. To je klíčový rozdíl oproti předchozím konstrukcím vyžadujícím podstatně vyšší napětí a spotřebovávajícím násobně více energie.
Dřívější umělé neurony odebíraly až desetinásobně vyšší napětí než přirozené nervové buňky, což se projevovalo stonásobně vyšší spotřebou energie a příliš silným signálem, který biologie nedokázala správně zpracovat. Nový prvek pracuje při napětí kolem 0,1 voltu — přibližně takovém, jaké produkuje skutečný lidský neuron.
Energie odpovídající mozku mění celou rovnici
Podle slov jednoho z inženýrů zapojených do výzkumu připomínaly předchozí verze křiklouna s megafonem, který vpadne do tiché přednáškové místnosti. Nové řešení se chová spíše jako člověk hovořící tlumeným hlasem, přizpůsobující tón svému okolí.
Díky tomu umělý neuron biologický systém nepřehlušuje, ale skutečně s ním spolupracuje. Poprvé tak máme reálnou šanci na obousměrnou komunikaci: elektronika čte signály z neuronu a odpovídá mu v „jazyce“, kterému rozumí. Tento průlom otevírá cestu k zařízením schopným dlouhodobě fungovat uvnitř lidského těla.
Čím nižší napětí a menší spotřeba energie, tím blíže jsme elektronice fungující jako tkáň, a ne jako cizí těleso. Odborníci z Univerzity v Massachusetts zdůrazňují, že právě tento aspekt by mohl v budoucnu umožnit miniaturní implantáty pracující léta bez výměny baterie.
Vědci vidí několik konkrétních oblastí uplatnění. Nová generace neurologických implantátů by mohla být přesnější, méně invazivní a lépe sladěná s mozkovými signály. Umělé neurony by navíc mohly přebírat část úkolů zaniklých buněk při protézování poškozených oblastí mozku.
Další možná využití této technologie
Neuromorfické procesory představují další slibnou oblast. Elektronické obvody inspirované mozkem jsou výrazně úspornější než klasické procesory, což je činí atraktivními pro budoucí výpočetní systémy.
Zdokonalená rozhraní mezi mozkem a počítačem by mohla přinést jemnější komunikaci s neurony, než jakou umožňují dnešní systémy s kovovými elektrodami. Takový pokrok by mohl pomoci pacientům s ochrnutím ovládat protézy silou myšlenek nebo lidem s poruchami řeči znovu navázat kontakt s okolím.
Obvody pracující při napětích blízkých biologickým hodnotám otevírají cestu k miniaturním, energeticky nenáročným zdravotnickým zařízením nositelným v těle po mnoho let. Zatím však existuje jediný prvek, který se chová slibně výhradně v laboratorních podmínkách.
Zbývá překonat řadu výzev: ověřit dlouhodobou stabilitu takového neuronu, jeho odolnost vůči teplotním výkyvům a chemickým fluktuacím a schopnost fungovat v síti s dalšími buňkami. Vědci budou muset také určit, jak nejlépe propojovat více umělých neuronů najednou s živou tkání.
Kam výzkum umělých neuronů směřuje
Pokud technologie skutečně zamíří k medicínským aplikacím, pacienti trpící Parkinsonovou nebo Alzheimerovou chorobou by mohli získat zcela nové terapeutické možnosti. Místo pouhého zmírňování příznaků by lékaři dostali nástroj k částečné obnově funkcí ztracených neuronů.
Rozhraní spojující mozek s elektronikou vždy vyvolávají napětí mezi nadšením a obavami. Na jedné straně lákají vizí navrácení ztracených schopností, na druhé nutí klást otázky o hranicích lidských modifikací a o tom, kdo bude spravovat tak citlivá data, jako je neuronální aktivita. Etické otázky budou s rozvojem technologie přibývat.
Stojí za připomenutí, že neurony nejsou jen „kabely“ pro přenos impulsů. Každá buňka má vlastní chemii, metabolismus a reaguje na hormony i látky z okolního prostředí. Sebepokročilejší umělý neuron zatím napodobuje převážně elektrickou vrstvu tohoto složitého systému. Bude proto ještě dlouho spíše podporou a protézou než plnohodnotnou náhradou živé tkáně.
Pro ty, kdo sledují vývoj umělé inteligence, může toto téma znít vzdáleně — přesto tu existuje zajímavé propojení. Strojové učení a počítačové neuronové sítě se biologií inspirují jen symbolicky. Neuromorfická integrace se naopak pokouší přiblížit skutečnému mozku prostřednictvím hardwaru. Pokud se tyto dva směry začnou sbližovat, mohou vzniknout zcela nové typy inteligentních zařízení — nejen rychlá a výkonná, ale i strukturou bližší tomu, jak funguje náš vlastní nervový systém. Převratné změny přes noc nečekejme, ale směr výzkumu jasně naznačuje budoucnost, v níž se hranice mezi biologií a elektronikou bude postupně stírat.
