Sztuczny neuron dogaduje się z ludzkim mózgiem. Przełom w neuromorficznym AI

Brzmi jak science fiction, ale chodzi o bardzo konkretny eksperyment: miniaturowy układ elektroniczny, który zachowuje się jak żywa komórka nerwowa i funkcjonuje obok niej w tych samych, wilgotnych warunkach laboratoryjnych. To może całkowicie zmienić podejście do leczenia chorób neurologicznych i projektowania przyszłych procesorów AI.

Dlaczego neurony są tak trudne do zastąpienia

Ludzki mózg składa się z około 100 miliardów neuronów. Każdy z nich to wyspecjalizowana komórka z ciałem komórkowym, rozgałęzionymi dendrytami oraz długim wypustem – aksonem. Neuron odbiera bodźce dendrytami, przetwarza je w ciele komórki i wysyła dalej jako impuls elektryczny wzdłuż aksonu.

Jeśli część tych komórek przestaje działać, organizm bardzo szybko to odczuwa. Pojawiają się zaburzenia ruchu, jak przy chorobie Parkinsona, problemy czuciowe albo zaniki pamięci związane z chorobą Alzheimera. Problem w tym, że komórki nerwowe w dorosłym mózgu praktycznie się nie regenerują. Zniszczony neuron w zasadzie odpada z gry na zawsze.

Medycyna od lat szuka sposobu, by jakoś uzupełnić te ubytki. Terapie komórkowe, leki, stymulacja głęboka mózgu – to wszystko tylko częściowe rozwiązania. W tej układance od dawna brakowało elementu, który zachowywałby się jak żywy neuron, ale był zbudowany przez człowieka.

Przeczytaj również: Norwegia: 400‑letnie beczki z wapnem odsłaniają sekrety budowy miasta

Neuromorficzne układy: kiedy elektronika próbuje naśladować mózg

Równolegle do badań medycznych rozwija się integracja neuromorficzna – dziedzina, która stara się odtworzyć sposób działania neuronów i synaps w postaci fizycznych układów elektronicznych. Chodzi o to, by zamiast klasycznych tranzystorów i prostego „0/1” budować procesory przypominające sieci nerwowe mózgu.

Takie podejście przydaje się w dwóch obszarach. Po pierwsze, pozwala zrozumieć działanie mózgu przez jego „mechaniczne” odtwarzanie. Po drugie, daje szansę na nowe generacje chipów AI, które będą nie tylko szybsze, ale też znacznie bardziej energooszczędne od dzisiejszych kart graficznych.

Przeczytaj również: Największe miasto na Ziemi i top 10 gigantycznych metropolii

Neuromorficzna elektronika próbuje zbliżyć się do samego źródła inteligencji – zamiast tylko symulować mózg w oprogramowaniu, naśladuje jego fizyczną konstrukcję.

Dotychczasowe sztuczne neurony miały jednak zasadniczą wadę: działały zbyt „głośno”. Ich sygnały były za silne w porównaniu z delikatnymi impulsami biologicznych komórek nerwowych. Próba zestawienia tych dwóch światów kończyła się tym, że precyzyjna informacja ginęła w nadmiarze energii.

Przełom z Massachusetts: sztuczny neuron, który nie krzyczy

Zespół z Uniwersytetu Massachusetts opisał w czasopiśmie Nature Communications sztuczny neuron, który zachowuje się znacznie bliżej pierwowzoru z ludzkiego mózgu. Klucz tkwi w tym, że potrafi przesyłać impulsy o napięciu zaledwie około 0,1 wolta – czyli na poziomie typowym dla komórek nerwowych.

Przeczytaj również: Tajemnicza zaraza sprzed 5 tysięcy lat. Czy to ona zmiotła pierwszych rolników Europy?

Poprzednie konstrukcje wymagały nawet dziesięciokrotnie wyższego napięcia i aż stukrotnie większej mocy. Taka różnica praktycznie uniemożliwiała sensowny „dialog” z prawdziwymi neuronami. Nowy układ został zaprojektowany tak, aby dopasować się do delikatnej fizjologii tkanki nerwowej, zamiast ją przytłaczać.

Najciekawsze w tym projekcie jest to, że sztuczny neuron nie dominuje nad biologicznym – wchodzi w jego rytm i współpracuje z nim na podobnych zasadach.

Nanofils z białek: nietypowe „kable” hodowane przez bakterie

Do budowy tego neuronu naukowcy wykorzystali nanowłókna białkowe. To niezwykle cienkie przewodniki, wytwarzane przez bakterie, które naturalnie używają ich do przyczepiania się do powierzchni i przekazywania elektronów.

Takie struktury mają kilka istotnych zalet:

• dobrze przewodzą prąd przy bardzo niskich napięciach,
• są stabilne w wilgotnym środowisku, podobnym do tego, w którym żyją neurony,
• łatwo je integrować z delikatną tkanką biologiczną.

W praktyce naukowcy zbudowali z tych nanowłókien układ, który generuje impulsy o charakterystyce zbliżonej do wyładowań elektrycznych w mózgu. Potem zestawili go z prawdziwymi neuronami w środowisku laboratoryjnym i obserwowali przepływ sygnałów pomiędzy obydwoma typami komórek – biologiczną i sztuczną.

Co dokładnie udało się zrobić naukowcom

W eksperymencie kluczowe były trzy elementy: realistyczna amplituda sygnału, stabilność w wilgotnym środowisku oraz dwukierunkowa komunikacja. Nie chodziło tylko o to, żeby sztuczny neuron „nadawał”, ale także reagował na sygnały przychodzące od komórek biologicznych.

Naukowcy opisali, że ich konstrukcja nie tylko wysyłała impulsy w zakresie akceptowalnym dla neuronów biologicznych, ale także utrzymywała stabilność działania w czasie. To sygnał, że takie układy można kiedyś umieścić bezpośrednio w pobliżu tkanki nerwowej bez ryzyka natychmiastowego uszkodzenia komórek.

Możliwe zastosowania: od leczenia mózgu po nowe procesory AI

Jeżeli kolejne badania potwierdzą skuteczność tej technologii, sztuczne neurony mogą w przyszłości pełnić rolę „łat” w uszkodzonych obwodach mózgu czy rdzenia kręgowego. Teoretycznie dałoby się wpiąć taki układ tam, gdzie naturalne komórki obumarły i spróbować przywrócić przepływ informacji.

Takie rozwiązanie interesuje szczególnie neurologów zajmujących się chorobą Parkinsona, urazami głowy czy uszkodzeniami rdzenia. Zamiast wyłącznie stymulować mózg impulsami z zewnątrz, dałoby się go uzupełnić o brakujące elementy, które współpracują z istniejącą tkanką.

Jeśli sztuczne neurony zaczną w praktyce „wplatać się” w uszkodzone sieci w mózgu, rehabilitacja po poważnych urazach może wyglądać zupełnie inaczej niż dziś.

Drugi, równie ważny kierunek to rozwój neuromorficznych chipów dla AI. Układy zbudowane z takich neuronów zużywałyby minimalne ilości energii, a ich praca przypominałaby biologiczne sieci nerwowe. To może przełamać ograniczenia obecnych procesorów, które przy ogromnych modelach językowych czy systemach rozpoznawania obrazu zwyczajnie się grzeją i pożerają prąd.

Co jeszcze trzeba sprawdzić

Droga do zastosowań klinicznych jest jednak długa. Trzeba zbadać, jak takie sztuczne neurony zachowują się w kontakcie z prawdziwą tkanką w dłuższym okresie, czy nie wywołują stanów zapalnych i jak reaguje na nie układ odpornościowy. Niezbędne będą też testy w modelach zwierzęcych, zanim ktokolwiek pomyśli o człowieku.

W elektronice problem jest inny: masowa produkcja tak złożonych układów na bazie nanowłókien białkowych. Dziś to wciąż bardzo eksperymentalne rozwiązanie. Trzeba znaleźć sposób, by takie struktury dało się wytwarzać tanio, powtarzalnie i w warunkach przemysłowych.

Czym właściwie jest neuron sztuczny, a czym biologiczny

W języku potocznym często wrzuca się do jednego worka neurony w mózgu i neurony w sieciach AI. Tymczasem różnice są ogromne. Biologiczny neuron to żywa komórka z błoną, białkami, metabolizmem i zdolnością do zmian pod wpływem doświadczenia. Sztuczny neuron w klasycznym rozumieniu informatycznym to prosty element matematyczny, który wykonuje kilka obliczeń i przekazuje ich wynik dalej.

Nowy układ z Massachusetts sytuuje się gdzieś pośrodku. To nadal konstrukcja nieożywiona, ale fizycznie pracuje w podobnych warunkach jak tkanka nerwowa i generuje impulsy zbliżone do biologicznych. Dzięki temu otwiera się szansa na bezpośrednie połączenia między krzemem a mózgiem, bez konieczności stosowania skomplikowanych pośredników.

Dla zwykłego użytkownika termin „neurony sztuczne” może brzmieć abstrakcyjnie, ale jego efekty będą bardzo namacalne: skuteczniejsze terapie neurologiczne, bardziej inteligentna elektronika użytkowa czy systemy wspierające zmysły, na przykład słuch lub wzrok, u osób z uszkodzeniami narządów.

Warto też pamiętać o stronie etycznej. Im bliżej elektronika podchodzi do granicy bezpośredniego kontaktu z mózgiem, tym bardziej trzeba myśleć o prywatności danych neuronalnych, bezpieczeństwie implantów i kontroli nad tym, kto i w jaki sposób może wpływać na pracę takich układów. Sztuczny neuron, który potrafi „rozmawiać” z naszymi komórkami nerwowymi, jest fascynującym narzędziem, ale także ogromną odpowiedzialnością.