Układ nerwowy czasem się psuje. Do tej pory trudno było go naprawić. Ale oto badacze stworzyli krzemowe neurony…
Nie było łatwo. My składamy się z białek, elektronika – z metali i półprzewodników. Zespół naukowców z pięciu uniwersytetów – brytyjskich w Bath i Bristolu, szwajcarskiego Zurychu i nowozelandzkiego Auckland – pracował nad sztucznymi neuronami od lat. Właśnie donieśli o swoim sukcesie w „Nature Communications”.
W opublikowanej pracy informują, że udało im się odtworzyć wzorce aktywności neuronów hipokampu (części układu limbicznego mózgu odpowiedzialnej za pamięć) oraz neuronów ośrodka oddechowego mózgu (odpowiadającego za nieświadomą kontrolę oddechu). Potem badacze zaprojektowali krzemowe układy scalone, które dokładnie modelują działanie biologicznych neuronów. Na koniec udowodnili, że ich krzemowe odpowiedniki z dużą precyzją odtwarzają aktywność żywych neuronów w odpowiedzi na różne bodźce.
Profesor Alain Nogaret z Uniwersytetu w Bath, który kierował projektem, tłumaczy nam: „Do tej pory neurony były jak czarne skrzynki. Udało nam się je otworzyć i zajrzeć do środka. Nasza praca to solidny przyczynek do odtworzenia eklektycznych właściwości żywych neuronów w najmniejszym szczególe”.
Adres filmu na Youtube: https://youtu.be/uvr4SAFmDVk
Źródło: University of Bath / YouTube
Projekt jest owocem pracy konsorcjum CResPace, które postawiło sobie za cel znalezienie precyzyjnego, imitującego naturalne działanie „rozrusznika” uszkodzonych obszarów mózgu odpowiedzialnych za pracę serca i oddychanie. Badacze wspominają o możliwości wszczepienia takiego chipu osobom z niewydolnością serca spowodowaną uszkodzeniem ośrodka, który reguluje jego pracę. Dziś pacjentów z takimi uszkodzeniami mózgu czeka śmierć, bowiem nawet przeszczepione serce nie będzie pracować, gdy nie pobudzają go odpowiednie sygnały nerwowe.
Naukowcy z dziedziny medycyny i bioinżynierii od dekad dążyli do stworzenia sztucznego neuronu, który reagowałby na słabe elektryczne sygnały płynące z organizmu. Taki wynalazek pozwoliłby leczyć sparaliżowanych, ludzi po udarach mózgu czy z chorobami neurodegeneracyjnymi, w których neurony przestają działać poprawnie, takimi jak alzheimer czy parkinson. Sztuczne neurony można by też wykorzystywać tak, by uszkodzony fragment układu nerwowego obejść, a impulsy nerwowe przekazywane były bez zmian. Sztuczne neurony pozwoliłyby też na regenerację uszkodzonych naturalnych, przesyłając im elektryczne sygnały. Eksperymenty wskazują, że stymulacja uszkodzonych neuronów w pewnych sytuacjach może przywrócić ich pierwotną sprawność.
Elektryczne stymulatory mózgu nie są nowością (o czym opowiadał nam prof. Marek Harat), ale są to zabiegi zarezerwowane dla ciężkich przypadków. Dzisiejsza technologia przypomina strzelanie z armaty do komara, bowiem wszczepiane elektrody są tysiące razy większe od neuronów (więc pobudzają tysiące z nich naraz). Napięcie w nich jest stałe, nie reaguje na zmieniające się stale elektryczne sygnały z otaczających neuronów. Nie bez znaczenia jest też to, że sztuczne stymulatory wymagają zasilania, więc pacjent musi nosić wszczepiony akumulator oraz przewody.
Do tej pory neurony były jak czarne skrzynki. Udało nam się je otworzyć i zajrzeć do środka
Alain Nogaret, Uniwersytet w Bath
Układy nerwowe pracują na zupełnie innej zasadzie niż komputery. Przede wszystkim zbudowane są z neuronów, w których napięcie elektryczne może przyjmować wartości pośrednie między zerem a jedynką. Druga różnica polega na tym, że pojedynczy neuron potrzebuje zaledwie 140 nanowatów mocy. Przeciętny mikroprocesor zaś potrzebuje miliard razy więcej mocy, a jego bramki logiczne mogą przyjmować wartości zero lub jeden. Elektryczne sygnały neuronów są też nieprzewidywalne (a precyzyjniej mówiąc – ich przetwarzanie sygnału nieliniowe).
„Głównymi trudnościami było uzyskanie parametrów wysoce nieliniowych obwodów reprezentujących kanały jonowe [neuronów] i opracowanie odpowiednich modeli obwodów” – wyjaśnia portalowi Sztuczna Inteligencja prof. Nogaret.
Badacze zastrzegają, że zanim ich sztuczne neurony zostaną przetestowane i będą mogły być wszczepiane ludziom, minie wiele lat. Ale skoro mamy sztuczny neuron, to czy gdzieś na końcu tej drogi może być sztuczny mózg?
„Jako fizyk zajmuję się modelowanie systemów od podstaw, stąd zainteresowanie pojedynczymi komórkami [nerwowymi] i ich niewielkimi sieciami generującymi rytmy biologiczne, takie jak oddychanie. Opracowane przez nas techniki mogą pomóc nam poznawać mózg, ale zbudowanie sztucznego wciąż stanowi niebywałe wyzwanie, przed wszystkim jeśli chodzi o to, co mózg tak naprawdę robi” – studzi zapał prof. Nogaret.