Po mnohaletém úsilí celé řady badatelských týmů jsou teď konečně na světě první umělé neurony na křemíkovém čipu. Chovají se úplně stejně jako biologické neurony, i když jsou vlastně úplně jiné. Tento objev by měl rozpoutat revoluci ve vývoji pokročilých medicínských zařízení pro léčbu celé řady chronických onemocnění, jako jsou nemoci srdce a cév či neurodegenerativní onemocnění typ Alzheimer či Parkinson.
Je to skoro k neuvěření. Umělé neurony jsou jako živé a ještě ke všemu spotřebují jen asi tak jednu miliardtinu energie průměrného mikroprocesoru. To je předurčuje k využití v medicínských implantátech a dalších bioelektronických zařízeních. Výzkum, který vedli badatelé z britské University of Bath, v těchto dnech publikoval časopis Nature Communications.
O takových umělých neuronech sní medicína už dlouho. Představují totiž slibnou možnost léčby mnoha různých onemocnění, která zahrnují špatnou funkci či odumírání neuronů. Umělé neurony by takové neurony mohly nahradit, správným způsobem reagovat na biologické okolí a obnovit tím jejich fungování v těle pacienta.
Vývoj umělých neuronů byl nesmírně komplikovaný tím, že neurony mají velmi složitou biologii a jejich chování je obtížné studovat, natož nějak rozumně modelovat či předpovídat. Vědci to ale postupně zvládli a svými modely si ochočili nelineární odpovědi neuronů na okolní podněty. Pak navrhli a postavili křemíkové čipy, které velmi přesně modelují chování biologických iontových kanálů, což jsou klíčové prvky v komunikaci neuronů.
Vedoucí projektu Alain Nogaret a jeho spolupracovníci si následně v experimentech ověřili, že jejich křemíkové neurony velmi zdatně napodobují reakce skutečných živých neuronů na celou škálu podnětů. V experimentech se jim podařilo napodobit dynamiku neuronů hipokampu a také respiračních neuronů u laboratorních potkanů, při rozmanitých podnětech z okolí. Pochopitelně, že čip není biochemickým udělátkem (jako pravé neurony), nicméně v reakci na elektrický podnět replikuje oscialci elektrického napětí, jako by ho dělaly neurony živé.
Jak říká Nogaret, až doposud byly neurony jako uzamčené „černé skříňky“, které jsme pozorovali jenom zvenčí. Díky umělým neuronům se teď už dostaneme „dovnitř“. S novou technologií je možné reprodukovat elektrické vlastnosti a chování neuronů prakticky v reálném čase. Nogaret rovněž zdůrazňuje, že jejich neurony potřebují k práci jenom 140 nanowattů. To je naprosto zanedbatelné ve srovnání s mikroprocesory, které se rovněž někdy využívají jako umělá náhražka neuronů. Uplatnění nových umělých neuronů v bioelektronice by tím pádem mohlo najít hodně široké uplatnění.
Video: World first as artificial neurons developed to cure chronic diseases
Video: "Construction of predictive neuron models using large scale data assimilation" Alain Nogaret
Literatura
University of Bath 3. 12. 2019, Nature Communications 10: 5309.