Naukowcy stworzyli sztuczny neuron, który rozmawia z ludzkim mózgiem

Po raz pierwszy badaczom udało się zbudować sztuczny neuron, który zachowuje się jak żywa komórka nerwowa i dogaduje się z prawdziwymi neuronami.

To osiągnięcie może całkowicie zmienić podejście do leczenia chorób neurologicznych i projektowania elektroniki wzorowanej na mózgu. Zespół z Uniwersytetu Massachusetts pokazał, że miniaturowy, zbudowany w laboratorium element potrafi wymieniać sygnały z biologiczną komórką w warunkach zbliżonych do tych, w jakich pracuje nasz układ nerwowy.

Dlaczego neuron jest tak ważny dla naszego ciała

Mózg to najbardziej złożony organ w naszym organizmie. Według szacunków zawiera około 100 miliardów neuronów, czyli wyspecjalizowanych komórek nerwowych. Każdy neuron składa się z ciała komórki, gęstej sieci wypustek odbierających sygnały, nazywanych dendrytami, oraz długiego włókna – aksonu – którym impuls biegnie dalej.

Cały proces wygląda mniej więcej tak: neuron przyjmuje informację przez dendryty, przetwarza ją w ciele komórki, a następnie wysyła elektryczny impuls aksonem do kolejnych komórek. W ten sposób powstają myśli, ruch, odczuwanie bólu, zapachów czy dźwięków. Gdy łańcuch zostaje przerwany, skutki natychmiast odbijają się na działaniu całego organizmu.

Uszkodzenie lub śmierć części neuronów może prowadzić do chorób takich jak Parkinson, poważne zaburzenia ruchu, problemy z czuciem, a także postępujące zaniki pamięci, charakterystyczne dla choroby Alzheimera. Dlatego każde narzędzie, które pozwala lepiej kontrolować, naśladować lub zastąpić neuron, budzi tak duże emocje wśród lekarzy i inżynierów.

Neurony się nie odnawiają – i tu zaczyna się problem

W odróżnieniu od wielu innych komórek naszego ciała, neurony praktycznie nie regenerują się samoistnie. Jeśli umrą, organizm zazwyczaj nie potrafi ich odtworzyć. To sprawia, że uszkodzenia mózgu czy rdzenia kręgowego są często nieodwracalne, a skutki wypadków lub chorób zostają z człowiekiem na całe życie.

Od lat trwają prace nad technologiami, które mogłyby wspierać lub częściowo zastąpić uszkodzone komórki nerwowe. Jednym z najciekawszych kierunków jest tzw. integracja neuromorficzna, czyli tworzenie układów elektronicznych inspirowanych budową i działaniem mózgu. Chodzi o to, by procesory czy specjalne chipy przetwarzały informacje podobnie jak sieci neuronów, zamiast wykonywać tylko proste, liniowe obliczenia.

Dotychczasowe próby tworzenia sztucznych neuronów były jednak mocno ograniczone. Urządzenia najczęściej wymagały wysokiego napięcia, zużywały zbyt dużo energii i trudno było je „wstawić” w delikatne, biologiczne środowisko. Do tego ich sposób przekazywania informacji znacząco różnił się od naturalnego języka neuronów, przez co komunikacja z komórkami ciała była mało precyzyjna.

Przełomowy neuron z Uniwersytetu Massachusetts

Zespół badawczy z Uniwersytetu Massachusetts postanowił rozwiązać ten problem radykalnie inaczej. Jak wynika z opublikowanej pracy, udało im się skonstruować sztuczny neuron, który działa przy napięciu zbliżonym do tego, jakie wykorzystuje ludzki mózg – około 0,1 wolta. To nieporównywalnie mniej niż wcześniejsze konstrukcje, które wymagały nawet dziesięciokrotnie wyższego napięcia i zużywały stokrotnie więcej mocy.

Sercem nowego rozwiązania jest układ z nanowłóknami białkowymi, który potrafi przekazywać sygnał elektryczny w sposób łagodny, „cichy” i bardzo zbliżony do naturalnej aktywności neuronów.

Co kluczowe, ten sztuczny neuron nie tylko generuje impulsy, ale również realnie komunikuje się z prawdziwymi komórkami nerwowymi. Badacze pokazali, że urządzenie potrafi wysyłać sygnały, które biologiczny neuron odbiera, interpretuje i na nie reaguje. Całość pracuje w wilgotnym środowisku, podobnym do tego, które panuje w mózgu czy w tkankach nerwowych.

Nanowłókna białkowe – co to w ogóle jest

Kluczową rolę odgrywa tutaj szczególny rodzaj przewodnika: niezwykle cienkie włókna zbudowane z białek, wytwarzane przez bakterie. Te nanowłókna mają możliwość przyczepiania się do różnych powierzchni i przenoszenia elektronów wzdłuż swojej struktury. Można je wyobrazić sobie jako supercienkie, biologiczne druciki, które łączą świat elektroniki z żywymi komórkami.

Takie włókna świetnie znoszą środowisko wodne, w którym zwykła elektronika często zawodzi. Dzięki temu sztuczny neuron może pracować w podobnych warunkach jak prawdziwe neurony, bez konieczności hermetycznego odizolowania go od otoczenia.

• Sygnał elektryczny jest zbliżony pod względem napięcia do naturalnego impulsu nerwowego.
• Energia potrzebna do pracy układu spada nawet stukrotnie w stosunku do wcześniejszych projektów.
• Nanowłókna białkowe są kompatybilne z wilgotnym, biologicznym środowiskiem.
• Komunikacja z neuronem biologicznym odbywa się w sposób płynny i bez „przekrzykiwania” go silniejszym impulsem.

Co może zmienić sztuczny neuron rozmawiający z mózgiem

Naukowcy widzą kilka bezpośrednich zastosowań takiego rozwiązania. W pierwszej kolejności myślą o medycynie i precyzyjnych interfejsach mózg–maszyna. Delikatne, energooszczędne neurony sztuczne mogłyby w przyszłości łączyć się z fragmentami mózgu odpowiedzialnymi za ruch, czucie czy pamięć i pomagać tam, gdzie uszkodzone są naturalne połączenia.

W praktyce może to oznaczać np. bardziej czułe i stabilne implanty dla osób po udarach, nową generację stymulatorów dla pacjentów z chorobą Parkinsona albo układy wspomagające tworzenie nowych połączeń nerwowych przy uszkodzeniach rdzenia kręgowego. Warunek jest jeden: sztuczne neurony muszą naprawdę „dogadać się” z tym, co pozostało z sieci biologicznej, bez zakłócania jej pracy.

Im bliżej technologia zbliża się do sposobu działania prawdziwych neuronów, tym większa szansa, że organizm zaakceptuje ją jak naturalny element sieci nerwowej.

Integracja neuromorficzna ma także ogromne znaczenie dla informatyki i elektroniki. Układy inspirowane mózgiem mogą być o wiele bardziej energooszczędne niż klasyczne procesory, a przy tym lepiej radzić sobie z zadaniami wymagającymi „intuicji”: rozpoznawaniem obrazów, analizą mowy czy podejmowaniem szybkich decyzji na podstawie niepełnych danych.

Najważniejsze fakty o przełomowym neuronie

Jak blisko jesteśmy „łatanych” mózgów i neuromorficznych chipów

Choć brzmi to jak scenariusz z filmu science fiction, drogę do praktycznych implantów czy komputerów z neuronami sztucznymi w roli głównej można już naszkicować. Trzeba jeszcze rozwiązać kilka trudnych zagadnień: jak zapewnić długotrwałą stabilność takich elementów w organizmie, jak unikać reakcji immunologicznych i jak kontrolować tysiące, a nawet miliony sztucznych neuronów naraz.

Inżynierowie pracują też nad tym, by takie układy potrafiły się uczyć, podobnie jak robi to naturalna sieć nerwowa. Oznacza to konieczność zaprojektowania „sztucznych synaps”, które z czasem wzmacniają lub osłabiają połączenia w zależności od dochodzących sygnałów. Dopiero połączenie jednego i drugiego – neuronów i synaps – pozwoli zbliżyć się do plastyczności ludzkiego mózgu.

Dla zwykłego odbiorcy najciekawsze jest prawdopodobnie to, że ta technologia może kiedyś zlać się z rozwiązaniami, które już znamy z codzienności: AI w smartfonach, zaawansowane protezy czy inteligentne wspomaganie pracy lekarzy. Jeśli sztuczny neuron potrafi rozmawiać z tkanką nerwową, nic nie stoi na przeszkodzie, by podobne układy stały się kiedyś „tłumaczem” między mózgiem a inteligentnymi urządzeniami wokół nas.

Warto też pamiętać o stronie etycznej. Im lepiej nauczymy się ingerować w aktywność mózgu, tym głośniej pojawią się pytania o granice takiej ingerencji: kto kontroluje dane nerwowe, czy możliwa jest manipulacja zachowaniem, jak zabezpieczyć układy mózg–komputer przed atakami hakerów. Dyskusja o sztucznym neuronie nie kończy się więc na laboratorium – bardzo szybko przejdzie do gabinetów lekarzy, prawników i bioetyków.