Sztuczny neuron dogaduje się z ludzkim mózgiem. Przełom z USA

Badacze University of Massachusetts opisali w Nature Communications układ elektroniczny, który nie tylko naśladuje sygnały mózgu, ale radzi sobie w środowisku podobnym do tego, w którym pracują prawdziwe neurony. To może całkowicie zmienić podejście do leczenia chorób neurologicznych i projektowania elektroniki inspirowanej mózgiem.

Dlaczego neurony są tak ważne i tak kruche

Mózg to gęsta „sieć kabli”. Według danych Instytutu Mózgu tworzy go około 100 miliardów neuronów, czyli komórek nerwowych wyspecjalizowanych w przekazywaniu informacji. Każda z nich składa się z trzech głównych elementów: ciała komórki, dendrytów oraz aksonu.

Dendryty zbierają sygnały z innych komórek. W ciele komórki następuje ich przetwarzanie, a akson działa jak przewód, którym biegnie impuls elektryczny do kolejnych neuronów. W ułamku sekundy przez mózg przechodzą miliony takich impulsów – od nich zależy to, jak się poruszamy, co czujemy i co pamiętamy.

Problem zaczyna się wtedy, gdy neurony przestają działać lub obumierają. Uszkodzenia w sieci nerwowej mogą prowadzić do:

• zaburzeń ruchu, takich jak choroba Parkinsona,
• zaburzeń czucia i percepcji,
• poważnych problemów z pamięcią, jak w chorobie Alzheimera.

W odróżnieniu od wielu innych typów komórek, neurony nie odnawiają się łatwo. Raz utracone, zwykle znikają na stałe. Z tego powodu neurologia i inżynieria biomedyczna od lat szukają sposobu, jak je chronić lub zastąpić.

Szczególne znaczenie ma technologia, która potrafi naśladować pracę neuronu na tyle wiernie, by mózg „uznał” ją za swoją.

Co to jest integracja neuromorficzna

Nowy sztuczny neuron z Massachusetts wpisuje się w szerszy trend zwany integracją neuromorficzną. Chodzi o projektowanie elektroniki w taki sposób, by możliwie wiernie kopiowała strukturę oraz zachowanie neuronów i synaps.

Zamiast klasycznego, liniowego przetwarzania danych, jak w tradycyjnych procesorach, układy neuromorficzne starają się działać bardziej jak mózg: równolegle, oszczędnie energetycznie i z wykorzystaniem krótkich impulsów. W laboratoriach powstają więc specjalne chipy, „sztuczne synapsy” i nowe typy tranzystorów, które uczą się i adaptują.

Do tej pory wiele z takich prób rozbijało się o brak zgodności z biologią. Urządzenia albo działały w zbyt suchych, sterylnych warunkach, albo wysyłały zbyt silne sygnały elektryczne, które nie pasowały do delikatnej chemii mózgu.

Nowy sztuczny neuron: cichy, oszczędny i „mokrawy”

Zespół z University of Massachusetts donosi, że udało mu się przełamać te bariery. Stworzony przez nich sztuczny neuron potrafi komunikować się z prawdziwym neuronem w sposób bardzo zbliżony do naturalnego, a do tego pracuje w wilgotnym środowisku, podobnym do tego, w którym funkcjonują komórki nerwowe.

Kluczem okazały się nanofile białkowe – mikroskopijne przewody wytwarzane przez bakterie. W naturze pomagają im przyczepiać się do powierzchni i wymieniać elektrony. Inżynierowie wykorzystali tę właściwość do zbudowania przewodzącej struktury, którą można zanurzyć w roztworze podobnym do płynu otaczającego neurony.

Nanofile białkowe działają jak delikatne, naturalne przewody, które „dogadują się” zarówno z elektroniką, jak i z żywą tkanką.

To ważne z dwóch powodów. Po pierwsze, taki sztuczny neuron może fizycznie współistnieć z komórkami nerwowymi, nie wymagając sterylnych, suchych warunków jak wiele klasycznych układów. Po drugie, jest wystarczająco wrażliwy, by pracować przy napięciach zbliżonych do tych, które generuje nasz mózg.

Energia jak w prawdziwym mózgu

Wcześniejsze konstrukcje sztucznych neuronów pobierały nawet dziesięciokrotnie wyższe napięcie niż naturalne komórki nerwowe. To przekładało się na stukrotnie większe zużycie energii i zbyt silne „uderzenie” sygnału, przez co biologia nie odbierała go prawidłowo.

Nowy element pracuje przy napięciu około 0,1 wolta – mniej więcej takim, jakie generuje ludzki neuron. Według słów jednego z inżynierów, wcześniejsze wersje przypominały krzykacza z megafonem, który wchodzi do cichej sali wykładowej. Nowe rozwiązanie zachowuje się raczej jak osoba, która mówi półgłosem, dopasowując ton do otoczenia.

Dzięki temu sztuczny neuron nie dominuje biologicznego układu, tylko faktycznie z nim współgra. Mamy więc szansę na pierwszy raz naprawdę dwukierunkową komunikację: elektronika odczytuje sygnały z neuronu i odsyła mu odpowiedź w „języku”, który ten rozumie.

Jak ta technologia może zmienić medycynę i elektronikę

Samo stworzenie jednego sztucznego neuronu nie oznacza jeszcze, że jutro powstanie w pełni działająca „sztuczna kora mózgowa”. Kierunek jest jednak jasny – im lepiej nauczymy się budować pojedyncze elementy, tym łatwiej będzie je łączyć w większe sieci.

Badacze widzą kilka możliwych zastosowań:

• nowa generacja implantów neurologicznych – bardziej precyzyjne, mniej inwazyjne, lepiej dopasowane do sygnałów mózgu;
• protezowanie uszkodzonych obszarów mózgu – sztuczne neurony mogłyby przejąć część zadań utraconych komórek;
• neuromorficzne procesory – układy elektroniczne inspirujące się mózgiem, znacznie oszczędniejsze energetycznie niż klasyczne CPU i GPU;
• lepsze interfejsy mózg–komputer – subtelniejsza komunikacja z neuronami niż w obecnych systemach wykorzystujących elektrody metalowe.

Pracując przy napięciu zbliżonym do biologicznego, takie układy otwierają drogę do miniaturowych, energooszczędnych urządzeń medycznych, które można będzie nosić w ciele przez lata.

Im niższe napięcie i mniejszy pobór energii, tym bliżej jesteśmy elektroniki, która działa jak tkanka, a nie jak obce ciało.

Co dalej z badaniami nad sztucznymi neuronami

Na razie mamy pojedynczy element, który zachowuje się obiecująco w warunkach laboratoryjnych. Kolejne wyzwania są oczywiste: trzeba sprawdzić stabilność takiego neuronu przez dłuższy czas, jego odporność na zmiany temperatury, fluktuacje chemiczne oraz zdolność do pracy w sieci z innymi komórkami.

Naukowcy będą musieli też ustalić, jak najlepiej łączyć wiele takich sztucznych neuronów z żywą tkanką: ile ich potrzeba, w jakich wzorach, jak kontrolować ich „uczenie się”. W grę wchodzi nie tylko inżynieria, ale również etyka – pytania o granice ingerencji w mózg będą coraz częstsze.

Szanse i ryzyka: na co przygotować się już dziś

Jeśli technologia pójdzie w stronę zastosowań medycznych, chorzy na Parkinsona czy Alzheimera mogą zyskać absolutnie nowe narzędzia terapii. Zamiast jedynie łagodzić objawy, lekarze dostaliby szansę na częściową odbudowę funkcji utraconych neuronów.

Interfejsy łączące mózg z elektroniką zawsze rodzą napięcie między fascynacją a lękiem. Z jednej strony kuszą wizją przywracania utraconych funkcji, z drugiej – zmuszają do myślenia o granicach modyfikowania człowieka i o tym, kto będzie zarządzał tak wrażliwymi danymi jak aktywność neuronalna.

Warto też pamiętać, że neurony to nie tylko „kable” przewodzące impulsy. Każda komórka ma własną chemię, metabolizm, reaguje na hormony i substancje z otoczenia. Sztuczny neuron – nawet bardzo zaawansowany – na razie odwzorowuje głównie warstwę elektryczną. Dlatego przez długi czas będzie raczej wsparciem i protezą niż pełnoprawnym zamiennikiem żywej tkanki.

Dla osób śledzących rozwój AI ten temat może wydawać się odległy, ale istnieje tu ciekawy most. Uczenie maszynowe i sieci neuronowe w komputerach inspirują się biologią tylko symbolicznie. Integracja neuromorficzna próbuje przybliżyć się do prawdziwego mózgu od strony sprzętowej. Jeśli te dwa kierunki zaczną się łączyć, możemy zobaczyć zupełnie nowe typy „inteligentnych” urządzeń: nie tylko szybkie i sprytne, lecz także bliższe temu, jak działa nasz własny układ nerwowy.