Sztuczny neuron rozmawia z ludzkim mózgiem. Przełom z USA

To pierwszy raz, gdy inżynierowie stworzyli element elektroniczny zdolny do wymiany sygnałów z żywym neuronem w warunkach zbliżonych do tych, które panują w ludzkim mózgu. Naukowcy widzą w tym krok w stronę zupełnie nowych terapii i elektroniki inspirowanej układem nerwowym.

Dlaczego neurony są tak szczególne

Mózg uchodzi za najbardziej złożony narząd w ciele, w dużej mierze przez niewiarygodną liczbę komórek nerwowych. Szacunki mówią o około 100 miliardach neuronów współpracujących w gęstej sieci połączeń. Każdy z nich ma trzy kluczowe elementy: ciało komórkowe, dendryty odbierające sygnały i akson, którym impuls biegnie dalej.

Informacja w układzie nerwowym krąży w dość uporządkowany sposób. Najpierw dendryty zbierają sygnały z otoczenia lub od sąsiednich komórek. Następnie neuron „przelicza” je w swoim ciele komórkowym i podejmuje decyzję: wysłać impuls czy nie. Gdy zapada „decyzja na tak”, w aksonie pojawia się impuls elektryczny, który dociera do kolejnych neuronów albo mięśni.

Gdy te procesy się sypią, ciało zaczyna mieć problemy. Uszkodzone lub obumarłe neurony potrafią wywołać choroby ruchowe, jak choroba Parkinsona, zaburzenia czucia, a także kłopoty z pamięcią, typowe dla choroby Alzheimera. Często nie widać tego od razu – zmiany narastają latami, aż w pewnym momencie organizm przestaje sobie radzić.

Przeczytaj również: Nie kupuj drogich lamp ogrodowych: zrób bajkowe latarenki z torebek po herbacie

Gdy neuron umiera, nie wraca

Największy kłopot z neuronami polega na tym, że praktycznie się nie odnawiają. Skóra się goi, wątroba odrasta po częściowym usunięciu, ale uszkodzone komórki nerwowe zwykle przepadają na stałe. Dla medycyny to poważne wyzwanie. Każda duża fala obumierania neuronów oznacza stopniową utratę sprawności, na którą nie ma prostego lekarstwa.

Od lat naukowcy próbują więc „obchodzić” ten problem. Z jednej strony szuka się terapii, które spowolnią śmierć komórek nerwowych. Z drugiej trwa intensywny rozwój tzw. integracji neuromorficznej. Chodzi o konstruowanie układów elektronicznych naśladujących strukturę i zachowanie neuronów oraz synaps, tak aby elektronika mogła kiedyś współpracować z mózgiem na jego własnych zasadach.

Przeczytaj również: Zostawiasz ładowarkę w gniazdku na stałe? Zobacz, czym to grozi

Neuromorficzne procesory i sztuczne neurony mają inne ambicje niż klasyczne chipy w laptopach. Nie chodzi tylko o szybkość obliczeń, ale o „mózgopodobny” sposób przetwarzania danych: masowo równoległy, energooszczędny, podatny na uczenie się. Problem w tym, że większość dotychczasowych prób kończyła się układami, które może i przypominały neurony w teorii, ale nie radziły sobie w bezpośrednim kontakcie z żywą tkanką nerwową.

Nowy typ neuronu sztucznego z Massachusetts

Zespół z Uniwersytetu Massachusetts przedstawił konstrukcję, która ten mur zaczyna kruszyć. Badacze opisali w „Nature Communications” pierwszy sztuczny neuron, który wymienia sygnały z biologicznymi neuronami w sposób zaskakująco zbliżony do naturalnego, a przy tym nie „zagłusza” ich pracy.

Przeczytaj również: 5 przekąsek imprezowych, które zrobisz wcześniej i podasz bez stresu

Sercem tej nowej jednostki są wyjątkowo cienkie przewodniki białkowe – nanowłókna – zdolne do pracy w wilgotnym środowisku, w jakim funkcjonują żywe komórki nerwowe.

Takie nanowłókna wytwarzają bakterie. W naturze służą im do przyczepiania się do powierzchni albo przekazywania elektronów. Inżynierowie wykorzystali ten ich talent i ułożyli z nich strukturę, która zachowuje się jak element przewodzący, ale przyjaźnie współistnieje z neuronami zamkniętymi w płynnej, wilgotnej pożywce.

Klucz: ciszej i oszczędniej niż wcześniejsze konstrukcje

Dotychczasowe sztuczne neurony miały jedną zasadniczą wadę. Działały zbyt „głośno” z punktu widzenia biologii. Wysyłały impulsy o za dużym napięciu i zużywały mnóstwo energii. W efekcie żywe komórki odbierały zafałszowane sygnały albo po prostu nie potrafiły z nich korzystać.

Nowe rozwiązanie zmienia zasady gry. Jak wskazuje kierujący projektem inżynier Jun Yao, poprzednie wersje wymagały około dziesięć razy wyższego napięcia i aż stukrotnie większej mocy niż najnowsza konstrukcja. Teraz sztuczny neuron pracuje przy napięciu około 0,1 wolta – to wartość bardzo zbliżona do tej, jaką notuje się w naszych własnych komórkach nerwowych.

Tak niewielkie napięcie i niskie zużycie energii sprawiają, że sztuczny neuron wreszcie wpisuje się w „język elektryczny” mózgu, zamiast wprowadzać w nim chaos.

Redukcja energii ma jeszcze jeden atut: mniej ciepła, a więc mniejsze ryzyko uszkodzenia delikatnych tkanek. To absolutny warunek, jeśli kiedyś podobne układy mają trafić do organizmu człowieka w formie implantów, protez lub interfejsów mózg–komputer.

Jak działa komunikacja między sztucznym i biologicznym neuronem

W uproszczeniu sztuczny neuron przyjmuje sygnał elektryczny, przetwarza go i wysyła dalej w formie impulsu o parametrach podobnych do tych, które generuje żywy neuron. Po drugiej stronie znajduje się normalna komórka nerwowa, która traktuje taki impuls jak jeden z wielu docierających bodźców.

Naukowcy obserwowali, że biologiczne neurony reagują na te bodźce w sposób przewidywalny. Nie była to już prosta, jednorazowa odpowiedź, lecz sekwencje impulsów przypominające wzorce znane z naturalnej pracy sieci nerwowych. To sygnał, że komunikacja nie polega tu wyłącznie na brutalnym „pobudzeniu” komórki prądem, ale na subtelnym dostrajaniu się do jej rytmu.

• sztuczny neuron działa w środowisku o wysokiej wilgotności, podobnym do tego, w którym żyją neurony;
• nanowłókna białkowe przewodzą prąd i są stabilne w kontakcie z wodą;
• napięcie pracy wynosi około 0,1 V, co odpowiada naturalnym impulsom nerwowym;
• biologiczne neurony reagują na wysyłane impulsy w powtarzalny, „mózgopodobny” sposób.

Co to może znaczyć dla medycyny i elektroniki

Dla neurobiologów taka konstrukcja jest jak nowy zestaw narzędzi. Jeżeli sztuczne neurony można bezpiecznie włączać do sieci złożonej z żywych komórek, pojawia się szansa na bardzo precyzyjne poprawianie fragmentów uszkodzonego układu nerwowego. Teoretycznie w przyszłości dałoby się „wpiąć” dodatkowy element tam, gdzie naturalne neurony zawiodły.

Na tym nie kończą się zastosowania. Inżynierowie od dawna marzą o komputerach neuromorficznych, które uczą się i przetwarzają informacje podobnie jak mózg, przy niewielkim zużyciu energii. Sztuczne neurony, które operują na napięciach zbliżonych do biologicznych i potrafią współpracować z prawdziwymi komórkami, zbliżają te marzenia do praktyki.

Jak daleko jesteśmy od praktycznych zastosowań

Choć komunikacja między sztucznym a biologicznym neuronem już działa, na realne urządzenia w szpitalach trzeba poczekać. Układ opracowany w Massachusetts to wciąż prototyp, działający w warunkach laboratoryjnych. Należy sprawdzić jego stabilność w dłuższym czasie, odporność na zmiany temperatury, a w przyszłości – tolerancję przez tkankę organizmu.

Przed inżynierami stoi też zadanie skalowania. Jeden sztuczny neuron to dowód, że kierunek jest sensowny. Prawdziwe urządzenia będą wymagały tysięcy albo milionów takich jednostek, połączonych w sieć, która zachowa się przewidywalnie i nie będzie wymagała kosmicznych ilości energii. Zaletą podejścia opartego na nanowłóknach białkowych jest to, że można je wytwarzać przy pomocy mikroorganizmów, potencjalnie na większą skalę i niższym kosztem niż złożone struktury krzemowe.

Co warto z tego zapamiętać

Nowy neuron sztuczny nie jest jeszcze „zamiennikiem” ludzkiej komórki nerwowej, ale pokazuje, że elektronika potrafi zbliżyć się do jej języka. Praca przy napięciach i w środowisku zbliżonym do naturalnego otwiera drogę do implantów, które będą mniej inwazyjne i bardziej precyzyjne niż dzisiejsze rozwiązania oparte na klasycznych elektrodach.

Jeśli kolejne zespoły potwierdzą wyniki Amerykanów, a projekt uda się rozwinąć, za kilkanaście lat pojęcie „naprawy” uszkodzonych połączeń nerwowych może nabrać nowego znaczenia. Z jednej strony to szansa na realną pomoc osobom z chorobami neurodegeneracyjnymi, z drugiej – impuls do tworzenia komputerów, które działają bardziej jak mózg niż tradycyjny procesor.