Naukowcy tworzą sztuczny neuron, który „dogaduje się” z ludzkim mózgiem

Wyobraźmy sobie technologię, która nie tylko naśladuje nasz mózg w kodzie programu, ale fizycznie staje się jego integralną częścią. Zespół inżynierów z Uniwersytetu Massachusetts dokonał przełomu, konstruując sztuczny neuron zdolny do prowadzenia autentycznego dialogu z ludzkimi komórkami nerwowymi. Wykorzystanie bioelektroniki opartej na nanowłóknach białkowych pozwala na przesyłanie sygnałów o niespotykanej dotąd precyzji, otwierając nowy rozdział w historii medycyny.

Badacze z Uniwersytetu Massachusetts opisali w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications przełomowe urządzenie wykorzystujące białkowe nanowłókna. Sztuczny neuron działa przy napięciu zbliżonym do tego w ludzkim układzie nerwowym, dzięki czemu może przekazywać sygnały w sposób bardzo podobny do naturalnych komórek.

Dlaczego neurony są tak ważne dla naszego ciała

Mózg pozostaje jednym z najbardziej złożonych narządów, jakie znamy. Według danych Instytutu Mózgu zawiera około 100 miliardów neuronów. Każda z tych komórek odpowiada za przekazywanie informacji – od prostych odruchów po skomplikowane procesy myślowe.

Neuron ma trzy główne części: ciało komórki, rozgałęzione dendryty i długi wypust zwany aksonem. Dendryty zbierają sygnały z innych komórek, ciało komórki je przetwarza, a akson wysyła dalej impuls elektryczny. W ten sposób powstaje nieustanna sieć komunikacji, dzięki której możemy chodzić, mówić, pamiętać i reagować na bodźce.

Jeśli część neuronów przestaje działać prawidłowo, cała ta sieć zaczyna się sypać. Pojawiają się zaburzenia ruchowe, jak w chorobie Parkinsona, kłopoty z czuciem czy wzrokiem, a także utrata pamięci – charakterystyczna dla choroby Alzheimera. Uszkodzenia nerwów nierzadko prowadzą do trwałego kalectwa.

Problem z neuronami: raz zniszczone, praktycznie nie wracają

Dla lekarzy i naukowców tragedią jest to, że neurony, w przeciwieństwie do wielu innych komórek, nie regenerują się łatwo po uszkodzeniu. Gdy raz obumrą, organizm z reguły nie potrafi ich zastąpić w naturalny sposób.

Stąd ogromne zainteresowanie różnymi technologiami, które mogłyby wspierać albo częściowo zastępować uszkodzone sieci nerwowe. Jednym z takich kierunków jest tzw. integracja neuromorficzna – obszar informatyki i elektroniki, który stara się naśladować budowę i zachowanie neuronów oraz synaps w postaci sztucznych układów.

Neuromorficzne procesory, chipy i sensory projektanci konstruują w oparciu o to, jak działają prawdziwe komórki nerwowe. Na papierze wygląda to obiecująco, ale dotąd sztuczne „neurony” miały sporo ograniczeń: były zbyt prądożerne, zbyt głośne elektrycznie i słabo radziły sobie w warunkach zbliżonych do tych, które panują w żywym mózgu.

Nowy sztuczny neuron z USA: bliżej natury niż kiedykolwiek

Zespół z Uniwersytetu Massachusetts postanowił podejść do problemu od innej strony. Badacze stworzyli urządzenie, które może pracować w wilgotnym środowisku przypominającym tkankę mózgową i przekazuje impuls elektryczny o sile podobnej do tej, którą wytwarzają naturalne neurony.

Nowy sztuczny neuron pracuje przy napięciu około 0,1 wolta i zużywa nawet sto razy mniej mocy niż wcześniejsze konstrukcje, co sprawia, że jego sygnał jest porównywalny z sygnałem biologicznej komórki nerwowej.

Kluczowym elementem są tu białkowe nanowłókna – niezwykle cienkie przewodzące struktury wytwarzane przez bakterie. W naturze mikroorganizmy tworzą takie „kabelki”, aby przyczepiać się do powierzchni albo wymieniać elektrony. Naukowcy wykorzystali tę właściwość do zbudowania miniaturowych obwodów przypominających z zachowania neurony.

Dlaczego napięcie ma tak wielkie znaczenie

Wcześniejsze sztuczne neurony potrzebowały nawet dziesięciokrotnie wyższego napięcia niż komórki w ludzkim mózgu. To prowadziło do dwóch problemów: po pierwsze, system wymagał dużej mocy, po drugie – sztuczny sygnał „zagłuszał” delikatne impulsy biologicznych neuronów.

Jun Yao, inżynier z Uniwersytetu Massachusetts cytowany przez serwis ScienceAlert, zwraca uwagę, że nowa konstrukcja zeszła do poziomu około 0,1 wolta. To mniej więcej tyle, ile generują nasze własne neurony. Dzięki temu sygnały mają podobną skalę, a sztuczna komórka może rozmawiać z naturalną jak równy z równą.

Jak działa komunikacja między sztucznym a biologicznym neuronem

Sercem urządzenia jest warstwa nanowłókien białkowych połączona z elementami elektronicznymi, które modulują przepływ prądu. Gdy sztuczny neuron „dostaje” impuls, przetwarza go, a potem wysyła kolejny sygnał w sposób przypominający naturalny potencjał czynnościowy w prawdziwej komórce nerwowej.

Badacze umieszczali swój sztuczny neuron w środowisku wodnym z żywymi neuronami biologicznymi. Tam, gdzie dotąd elektronika szybko ulegała uszkodzeniu lub zachowywała się niestabilnie, białkowe nanowłókna okazały się zaskakująco wytrzymałe – dobrze znoszą wilgoć i warunki podobne do tych panujących w tkance mózgowej.

Po raz pierwszy sztuczny neuron był w stanie wymieniać sygnały z prawdziwą komórką nerwową w sposób, który badacze opisują jako bardzo realistyczny i „cichy”, bez nadmiernego zakłócania sygnału.

Ta „cisza” oznacza brak agresywnego, zbyt mocnego impulsu. Zamiast tego pojawia się delikatny sygnał, który łatwo stapia się z naturalną aktywnością mózgu. To właśnie taki tryb pracy jest niezbędny, by w przyszłości myśleć o praktycznych implantach czy układach hybrydowych.

Co może dać integracja neuromorficzna w praktyce

Integracja neuromorficzna to nie tylko ciekawostka technologiczna. Chodzi o stworzenie układów, które nie imitują mózgu wyłącznie na poziomie oprogramowania, ale także na poziomie fizycznym, w sposobie działania sprzętu.

• Medycyna: potencjalne protezy nerwów, inteligentne implanty, które przejmą część funkcji uszkodzonych obszarów mózgu lub rdzenia kręgowego.
• Elektronika: energooszczędne procesory neuromorficzne, które uczą się i reagują podobnie jak ludzki układ nerwowy.
• Interfejsy mózg–komputer: bardziej naturalna komunikacja między urządzeniami cyfrowymi a naszymi neuronami, bez potrzeby stosowania ekstremalnych napięć czy skomplikowanych pośredników.

Nowy sztuczny neuron z Massachusetts mocno zbliża ten scenariusz do realiów. Zasada działania jest na tyle „biologiczna”, że teoretycznie da się włączyć takie elementy w istniejącą sieć nerwową, zamiast ją brutalnie zastępować.

Dlaczego białkowe nanowłókna mogą zmienić podejście do elektroniki

W klasycznej elektronice rolę przewodników pełnią głównie metale – miedź, aluminium czy złoto – oraz półprzewodniki, jak krzem. Tutaj tę funkcję przejęły struktury wytwarzane przez bakterie. To przykład tzw. bioelektroniki, czyli łączenia elementów biologicznych z klasyczną techniką.

Takie podejście może znacząco ułatwić integrację elektroniki z żywą tkanką, bo materiał przewodzący sam z siebie lepiej znosi warunki panujące w organizmie. Łatwiej też uzyskać odpowiednią skalę sygnału, zgodną z tym, co wypracowała natura.

Jakie szanse i ryzyka rysują się na horyzoncie

Jeśli uda się dopracować tego rodzaju sztuczne neurony, lekarze zyskają zupełnie nowe narzędzia. Można wyobrazić sobie układy, które przejmą komunikację w przerwanym nerwie, stworzą „most” nad uszkodzonym fragmentem rdzenia kręgowego albo wzmocnią sygnały w słabo działających obszarach mózgu.

Równocześnie rośnie lista pytań. Hybrydowe połączenie mózgu i elektroniki rodzi wątpliwości etyczne: kto kontroluje taki system, co z bezpieczeństwem danych, jak zabezpieczyć implanty przed włamaniami czy awariami? Dochodzi kwestia długoterminowej reakcji układu odpornościowego na obce struktury oraz ewentualnych zmian w funkcjonowaniu psychiki użytkownika.

Trzeba też pamiętać, że opisany neuron jest wciąż demonstratorem technologicznym, a nie gotowym produktem medycznym. Od pierwszych prób kontaktu z pojedynczymi komórkami nerwowymi do zastosowań klinicznych prowadzi długa droga: testy bezpieczeństwa, stabilności, skuteczności oraz skalowania produkcji.

Co to oznacza dla zwykłego człowieka

Dla przeciętnej osoby ta praca może brzmieć jak science fiction, ale pewne elementy tej technologii – choćby energooszczędne, uczące się układy neuromorficzne – mogą trafić do codziennej elektroniki dużo szybciej niż medyczne implanty.

Wyobraźmy sobie domową elektronikę, która reaguje na bodźce i uczy się podobnie do ludzkiego mózgu, przy minimalnym zużyciu energii. Albo rehabilitacyjne roboty, które komunikują się z układem nerwowym pacjenta poprzez sztuczne neurony, a nie masywne, sztywne elektrody. Prace zespołu z Massachusetts to krok w tym kierunku – pierwszy raz z sygnałem tak bliskim temu, co dzieje się w naszych własnych komórkach.