Przełomowy neuron sztuczny „rozmawia” z ludzkim mózgiem jak prawdziwy

Badacze z Uniwersytetu Massachusetts pokazali, że elektronika może nie tylko naśladować obliczenia mózgu, ale wręcz włączyć się w jego sieć sygnałów. W eksperymentach nowa komórka sztuczna komunikowała się z neuronami biologicznymi w warunkach zbliżonych do tych panujących w ludzkim organizmie.

Dlaczego neurony są tak kłopotliwe, gdy zaczynają umierać

Mózg to niezwykle gęsta sieć – według danych Instytutu Mózgu w ludzkiej czaszce pracuje nawet około 100 miliardów neuronów. Każdy z nich składa się z ciała komórki, dendrytów odbierających sygnały oraz aksonu wysyłającego impuls elektryczny dalej. Tak powstaje przepływ informacji, który steruje naszym ruchem, zmysłami, emocjami i pamięcią.

Gdy część komórek nerwowych przestaje działać, całe to delikatne połączenie się sypie. Pojawiają się zaburzenia ruchowe, jak w chorobie Parkinsona, problemy z czuciem czy narastające kłopoty z pamięcią znane z choroby Alzheimera. Uszkodzone neurony nie odrastają spontanicznie jak skóra po skaleczeniu – i to stanowi ogromną barierę dla medycyny.

Od lat naukowcy szukają sposobu, by jakoś tę lukę wypełnić: lekami, terapią genową, stymulacją elektryczną. Równolegle rozwija się podejście, które próbuje dołożyć do układu nerwowego elementy elektroniczne, projektowane tak, by zachowywały się możliwie podobnie do naturalnej tkanki nerwowej.

Przeczytaj również: Dlaczego drogie fotele biurowe nie ratują przed bólem pleców

Neuromorficzna elektronika – kiedy chip zaczyna udawać neurony

Tu pojawia się pojęcie integracji neuromorficznej. Chodzi o konstruowanie układów elektronicznych, które inspirują się architekturą mózgu i sposobem działania sieci neuronów oraz synaps. Zamiast klasycznych procesorów, które liczą wszystko krok po kroku, powstają systemy pracujące równolegle, impulsywnie, w sposób przypominający biologiczne sieci nerwowe.

W praktyce oznacza to tworzenie miniaturowych struktur zdolnych do:

Przeczytaj również: 10 prostych ćwiczeń w domu, które odmienią twoją formę w 30 dni

• generowania impulsów elektrycznych zbliżonych do naturalnych potencjałów czynnościowych,
• przetwarzania sygnałów w sposób nieliniowy, zależny od wcześniejszej aktywności,
• pracy w środowisku z wodą i solami, czyli takim, w jakim funkcjonują komórki nerwowe,
• łączenia się z żywą tkanką – bez jej uszkadzania i bez zakłócania delikatnej równowagi sygnałów.

Dotychczasowe konstrukcje sztucznych neuronów spełniały tylko część tych warunków. Największym problemem była „głośność” sygnału – napięcia i moce w klasycznej elektronice są zbyt wysokie, przez co komunikaty wysyłane do żywych komórek stają się zbyt silne i zwyczajnie je zagłuszają.

Co nowego zrobili badacze z Massachusetts

W przełomowej pracy opublikowanej 29 września 2025 r. w piśmie Nature Communications zespół z Uniwersytetu Massachusetts zaprezentował zupełnie inną konstrukcję neuronu sztucznego. Klucz stanowią nanowłókna białkowe – niezwykle cienkie przewody, hodowane z pomocą bakterii.

Przeczytaj również: Meningokok w natarciu: epidemia w Anglii, zgon we Francji. Te 5 objawów trzeba znać

Takie włókna zachowują się jak mikroskopijne kable, którymi mogą płynąć elektrony. Jednocześnie dobrze znoszą środowisko podobne do tego, w którym żyją neurony: wilgotne, pełne soli, o złożonym składzie chemicznym. To ogromna przewaga nad wieloma klasycznymi materiałami elektronicznymi, które w takim otoczeniu szybko korodują lub tracą swoje właściwości.

Naukowcy z Massachusetts jako pierwsi skonstruowali neuron sztuczny, który pracuje przy napięciu zbliżonym do naturalnych komórek nerwowych i potrafi prowadzić z nimi dwukierunkową wymianę impulsów.

Jak podkreśla współautor pracy, inżynier Jun Yao, wcześniejsze konstrukcje potrzebowały aż dziesięć razy wyższego napięcia i około stukrotnie większej mocy niż opracowana teraz wersja. Nowy układ operuje w okolicach 0,1 wolta – to mniej więcej poziom, na jakim działają nasze własne neurony. Dzięki temu sygnały sztucznej komórki nie przytłaczają komórek biologicznych.

Neuron sztuczny, który potrafi „słuchać” i „mówić”

Naukowcy nie poprzestali na zaprojektowaniu samego układu elektronicznego. Sprawdzili, czy da się go realnie wpiąć w sieć żywych neuronów. W kontrolowanym środowisku laboratoryjnym nowy element nawiązał wymianę impulsów z prawdziwą tkanką nerwową – odbierał informacje i wysyłał własne odpowiedzi.

Kluczowa była tutaj subtelność działania. Sygnał nie mógł być ani za słaby, bo wtedy neurony biologiczne zignorowałyby go, ani za mocny, bo z kolei doszłoby do zakłócenia naturalnych wzorców aktywności. Badacze opisują nową konstrukcję jako „cichą”, bo wpasowuje się w naturalne tło elektryczne neuronów zamiast je dominować.

Dlaczego niski pobór mocy ma tak duże znaczenie

Praca przy napięciu podobnym do naturalnego mózgu ma kilka praktycznych skutków:

Taka kombinacja cech sprawia, że nowa konstrukcja zaczyna przypominać brakujący pomost między elektroniką a neurobiologią. Do tej pory wiele projektów kończyło się w momencie, gdy trzeba było podłączyć czułą tkankę do nieprzystosowanych do niej układów scalonych.

Co może z tego wyniknąć dla medycyny i technologii

Jeżeli podobne neurony sztuczne uda się w przyszłości bezpiecznie wszczepiać, otworzy się kilka kierunków zastosowań. Teoretycznie można by zastępować nimi fragmenty uszkodzonych obwodów w mózgu lub rdzeniu kręgowym. Taki element elektroniczny mógłby odbierać sygnał z jednej grupy komórek, odpowiednio go przetwarzać i przekazywać dalej, przejmując część funkcji utraconych neuronów.

Na tej bazie można sobie wyobrazić bardziej precyzyjne implanty dla osób z chorobą Parkinsona, systemy wspierające pamięć przy zaawansowanej demencji czy rozwiązania pomagające obejść uszkodzone połączenia w urazach rdzenia. Każdy z tych scenariuszy wymaga lat testów i prób klinicznych, ale sama możliwość prowadzenia dialogu między chipem a neuronem zbliża takie wizje do realności.

Druga płaszczyzna to rozwój neuromorficznych komputerów. Układy, które komunikują się ze sobą jak neurony i zużywają bardzo mało energii, mogą stać się podstawą nowych typów procesorów. Zamiast „klasycznego” AI liczącego w ogromnych serwerowniach, część inteligentnych funkcji można by przenieść do miniaturowych urządzeń, zbliżonych strukturą do prawdziwej tkanki nerwowej.

Ryzyka, wyzwania i pytania etyczne

Choć brzmi to jak atrakcyjna wizja, przed zastosowaniami klinicznymi stoi mnóstwo barier. Trzeba sprawdzić, jak organizm reaguje na długotrwałą obecność nanowłókien białkowych i całego układu elektronicznego. Do tego dochodzą kwestie stabilności sygnału, odporności na uszkodzenia mechaniczne i bezpieczeństwa samej procedury wszczepiania.

Rodzi się też pytanie o granice ingerencji w pracę mózgu. Jeżeli coraz bardziej zaawansowane urządzenia zaczną realnie wpływać na procesy pamięci, emocji czy podejmowania decyzji, pojawi się konieczność nowych regulacji prawnych i etycznych. Problem nie dotyczy wyłącznie klinik – dotyka również firm technologicznych rozwijających interfejsy mózg-komputer.

Jak to sobie wyobrazić w praktyce

Najprościej potraktować nowy neuron sztuczny jak inteligentny przekaźnik. Z jednej strony odbiera krótkie wyładowania elektryczne od żywych komórek, z drugiej – sam generuje impulsy w odpowiedzi, zachowując ich rytm i amplitudę na poziomie, który dla mózgu jest „naturalny”. Różnica polega na tym, że wewnątrz pracuje już nie chemia i białka błonowe, lecz zaprojektowana sieć materiałów przewodzących.

Jeśli ta koncepcja się utrwali, w przyszłości można sobie wyobrazić całe łańcuchy takich elementów, połączone zarówno z neuronami, jak i między sobą. Granica między „biologicznym” a „sztucznym” układem nerwowym zacznie się wtedy mocno zacierać. Dla medycyny to szansa na leczenie dotąd bezradne wobec utraty neuronów, dla inżynierii – pole do tworzenia maszyn uczących się bardziej jak ludzki mózg niż jak tradycyjny komputer.