Naukowcy tworzą sztuczny neuron, który rozmawia z ludzkim mózgiem

Laboratorium zamiast science fiction: badacze opracowali sztuczny neuron, który zachowuje się tak podobnie do prawdziwego, że potrafi „dogadać się” z komórkami mózgu.

To nie jest kolejny pomysł z filmów o cyborgach. Zespół z Uniwersytetu Massachusetts pokazał prototyp neuronu, który prowadzi rzeczywistą wymianę sygnałów z biologicznymi komórkami nerwowymi, w podobnych warunkach jak w ludzkim mózgu. Dla medycyny i elektroniki to może być początek zupełnie nowej epoki.

Dlaczego jeden uszkodzony neuron potrafi wywrócić życie

Mózg to najbardziej złożony narząd naszego ciała. Według danych Instytutu Mózgu tworzy go około 100 miliardów neuronów. Każdy z nich odbiera, przetwarza i przekazuje informacje elektryczne i chemiczne, które sterują ruchem, pamięcią, emocjami i zmysłami.

Pojedyncza komórka nerwowa składa się z trzech głównych części: ciała komórkowego, dendrytów i aksonu. Dendryty zbierają sygnały przychodzące od innych neuronów. W ciele komórki następuje ich „obróbka”. Akson odpowiada za wysyłanie impulsu dalej, w postaci krótkich wyładowań elektrycznych.

Gdy taki układ zaczyna szwankować, skutki często szybko wychodzą na jaw. Choroby neurodegeneracyjne, jak Parkinson czy Alzheimer, biorą się właśnie z obumierania lub nieprawidłowego działania neuronów. Pojawiają się zaburzenia ruchu, problemy z równowagą, zanik pamięci, trudności z mówieniem czy orientacją.

Neurony nie odrastają – i tu zaczyna się problem

Uszkodzona skóra zabliźnia się, wątroba potrafi się częściowo zregenerować. Z neuronami jest gorzej: gdy raz zginą, w zdecydowanej większości przypadków nie wracają. Dlatego utrata komórek nerwowych to dla organizmu cios, którego nie da się łatwo naprawić.

Od lat naukowcy próbują obejść tę barierę na różne sposoby: lekami, terapiami genowymi czy przeszczepianiem komórek macierzystych. Równolegle rozwija się zupełnie inna ścieżka – tworzenie sztucznych elementów, które naśladują zachowanie mózgu i mogą z nim współpracować.

Ten kierunek badań ma własną nazwę: integracja neuromorficzna. Chodzi o projektowanie układów elektronicznych inspirowanych strukturą i działaniem neuronów oraz synaps. Zamiast klasycznych tranzystorów – elementy, które zachowują się jak sieci nerwowe: uczą się, adaptują, pracują impulsowo, a nie w sposób ciągły.

Integracja neuromorficzna łączy biologię, elektronikę i informatykę, tworząc układy, które nie tylko liczą, ale też reagują i uczą się podobnie jak mózg.

Nowy sztuczny neuron z Massachusetts: co jest w nim inne

Badacze z Uniwersytetu Massachusetts opisali w czasopiśmie Nature Communications sztuczny neuron, który działa dużo bliżej biologicznego pierwowzoru niż wcześniejsze konstrukcje. Kluczowa różnica: potrafi komunikować się z żywymi neuronami z realizmem, na jaki wcześniej nie udało się zejść.

Do budowy wykorzystano tzw. nanodruty białkowe. To ultracienkie przewody tworzone przez bakterie, które w przyrodzie służą im m.in. do przyczepiania się do powierzchni i wymiany elektronów z otoczeniem. Naukowcy zauważyli, że takie struktury dobrze znoszą środowisko podobne do tego, w którym żyją neurony – wilgotne, bogate w sole, o ściśle kontrolowanym pH.

To ważne, bo większość klasycznej elektroniki źle znosi kontakt z płynami ustrojowymi. Wymaga grubych warstw izolacji, przez które trudno o subtelną wymianę sygnałów. Nanodruty białkowe pozwoliły zbudować element przewodzący, który może funkcjonować w warunkach zbliżonych do kultury komórek nerwowych w laboratorium.

Dlaczego poprzednie konstrukcje zawodziły

Wcześniejsze sztuczne neurony miały jeden podstawowy kłopot: były zbyt „głośne”. Wysyłały sygnały o znacznie wyższym napięciu niż prawdziwe neurony. W efekcie biologiczny odbiorca dostawał impuls, który z jego perspektywy był nienaturalny, przesterowany i niewiele wnosił.

Nowy neuron działa przy napięciu około 0,1 wolta, czyli w bardzo podobnym zakresie jak neurony w ludzkim ciele. Wymaga przy tym nawet 100 razy mniej mocy niż wcześniejsze prototypy.

Tak duże zmniejszenie zapotrzebowania na energię ma ogromne znaczenie. Im mniej prądu potrzebuje element elektroniczny, tym łatwiej umieścić go blisko tkanek, bez ryzyka przegrzewania czy uszkodzeń. To także szansa na miniaturyzację implantów i układów wszczepianych na stałe.

Jak działa sztuczny neuron zdolny do „rozmowy” z mózgiem

Konstrukcja opracowana w Massachusetts nie jest tylko biernym przewodem. Została zaprojektowana tak, by przetwarzać sygnały na sposób zbliżony do neuronu biologicznego: reaguje na bodźce wejściowe, generuje krótkie impulsy elektryczne i przekazuje je dalej w sposób modulowany, a nie jednolity.

Kluczowe cechy nowego rozwiązania można streścić w kilku punktach:

• pracuje w środowisku zbliżonym do tego, w którym żyją neurony (wilgotne, przewodzące, o stałej temperaturze),
• wykorzystuje nanodruty białkowe, które dobrze współpracują z komórkami nerwowymi,
• generuje impulsy o napięciu podobnym do ludzkich neuronów,
• wymaga bardzo małej mocy, co ogranicza ryzyko uszkodzenia tkanek,
• jest „cichy” elektrycznie, więc nie zakłóca otaczającej sieci nerwowej.

W praktyce oznacza to układ, który może wpiąć się w istniejącą sieć połączeń nerwowych i przekazywać informacje w sposób, który komórki mózgowe są w stanie zinterpretować jako „swój”. To otwiera drzwi dla urządzeń nie tylko odczytujących sygnały, ale także aktywnie uczestniczących w ich przekazywaniu.

Co taka technologia może zmienić w medycynie

Najbardziej oczywiste zastosowania dotyczą chorób, w których dochodzi do utraty neuronów lub ich funkcji. W pewnej perspektywie można wyobrazić sobie implanty, które przejmują część roli uszkodzonego obszaru mózgu czy rdzenia kręgowego. Nie jest to wizja na jutro, ale kierunek wydaje się jasny.

Dzięki lepszemu dopasowaniu parametrów elektrycznych da się liczyć na to, że w przyszłości stymulatory mózgu będą mniej inwazyjne, bardziej precyzyjne i łatwiejsze do regulacji. Zamiast „walić prądem” w całe obszary, lekarze mogliby korzystać z układów zachowujących się niemal jak brakujące neurony.

Integracja neuromorficzna: nie tylko medycyna

Sztuczny neuron z Massachusetts interesuje nie tylko neurologów. Integracja neuromorficzna od dawna przyciąga też inżynierów pracujących nad nową generacją elektroniki i AI. Chodzi o budowę chipów, które działają bardziej jak mózg niż tradycyjne procesory.

Takie układy mogą być:

• bardziej energooszczędne niż klasyczne procesory,
• lepiej przystosowane do zadań typu rozpoznawanie obrazu czy dźwięku,
• łatwiejsze do integrowania z czujnikami i elementami wykonawczymi,
• w stanie uczyć się na bieżąco, a nie tylko wykonywać zaprogramowane instrukcje.

Sztuczny neuron, który potrafi bezpośrednio porozumieć się z komórkami nerwowymi, może stać się brakującym ogniwem między bioelektroniką a klasycznymi komputerami. Urządzenia noszone, implanty medyczne czy interfejsy mózg–komputer zyskałyby znacznie bardziej naturalny kanał wymiany danych.

Ryzyka, pytania i granice, które dopiero się rysują

Taka technologia budzi oczywiście emocje. Z jednej strony daje nadzieję osobom z chorobami neurologicznymi, dla których dotychczasowe metody nie wystarczają. Z drugiej rodzi pytania o bezpieczeństwo, prywatność i etykę bezpośredniej ingerencji w pracę mózgu.

Trzeba będzie rozstrzygnąć m.in.:

• kto kontroluje urządzenie zdolne do wymiany sygnałów z mózgiem,
• jak zabezpieczyć je przed awarią czy atakiem z zewnątrz,
• gdzie leży granica między leczeniem a „ulepszaniem” zdrowych osób,
• jak informować pacjentów o długofalowych skutkach takiej interwencji.

Na razie mowa o badaniach laboratoryjnych na pojedynczych komórkach i prostych układach. Droga do kliniki będzie długa: obejmie testy na tkankach, modelach zwierzęcych, a dopiero potem, przy spełnieniu rygorystycznych norm bezpieczeństwa, pilotażowe próby u ludzi.

Warto przy tym zauważyć, że „sztuczny neuron” nie oznacza kopiowania całego mózgu w krzemie czy białku. To raczej wyspecjalizowany element, który ma naśladować pewne właściwości komórek nerwowych: sposób generowania impulsów, wrażliwość na sygnały, zdolność do pracy w biologicznym otoczeniu. Prawdziwy mózg to nie tylko neurony, ale i gęsta sieć połączeń, komórki glejowe, hormony i wiele innych czynników, których żaden pojedynczy układ nie odtworzy.

Dla przeciętnego pacjenta praktyczny wymiar tej pracy może pojawić się dopiero za kilkanaście lat. Dla naukowców zajmujących się neuroinżynierią to jednak bardzo konkretny krok: pokazano działający element, który nie tylko „udaje” neuron na schemacie, ale potrafi rozmawiać z prawdziwymi komórkami nerwowymi w ich naturalnym środowisku. To sygnał, że granica między elektroniką a biologią zaczyna się realnie przesuwać.