Przełom w neuronauce. Sztuczny neuron komunikuje się z biologicznym mózgiem

Od lat trwają próby stworzenia komputerów przetwarzających informacje z efektywnością zbliżoną do ludzkiego mózgu. Zespół z University of Massachusetts Amherst dokonał przełomu, opracowując sztuczny neuron, który wiernie naśladuje swoje biologiczne odpowiedniki. Co istotne, potrafi on komunikować się z żywymi komórkami, zużywając przy tym minimalną ilość energii.

Kluczem do sukcesu okazały się nanodruty białkowe wytwarzane przez bakterie Geobacter sulfurreducens. Wykorzystano je do stworzenia memrystora, elementu imitującego działanie synaps w mózgu. Imponujący jest fakt, że neuron działa przy napięciu zaledwie 0,1 wolta, identycznym jak w przypadku neuronów biologicznych.

Niewielkie napięcie, ogromny potencjał

Jun Yao z University of Massachusetts Amherst podkreśla, że wcześniejsze wersje sztucznych neuronów wymagały dziesięciokrotnie wyższego napięcia i stukrotnie większej energii. Energia pojedynczego impulsu w nowym neuronie mieści się w przedziale od 0,2 do 37 pikodżuli, co idealnie pokrywa się z zakresem obserwowanym w naturalnych komórkach nerwowych. Memrystor aktywuje się przy napięciach około 60 mV i prądach rzędu 1,7 nA. System symuluje nawet okres refrakcji, zapobiegając zbyt częstym wyładowaniom komórki.

Sztuczny neuron reaguje na chemię

Najbardziej fascynującą cechą nowego neuronu jest jego zdolność do reagowania na związki chemiczne – identycznie jak robią to naturalne komórki nerwowe. Jony sodu zwiększają częstotliwość wyładowań, a dopamina wywołuje złożoną odpowiedź. Zakres tej chemicznej modulacji wynosi 25-34%, co odpowiada obserwacjom w neuronach biologicznych. Oznacza to, że sztuczny neuron „rozmawia” z komórkami w ich własnym języku. Neuron wykazuje też stochastyczne wariacje w częstotliwości i amplitudzie wyładowań, co jest kluczowe dla funkcjonowania mózgu.

Interakcja z żywą tkanką

Badacze zademonstrowali bezpośredni interfejs z żywymi kardiomiocytami – komórkami mięśnia sercowego. Sztuczny neuron przetwarzał sygnały z tkanki serca w czasie rzeczywistym i rozpoznawał zmiany po podaniu noradrenaliny.

Przyszłość należy do biokomputerów?

Nowe odkrycie otwiera drogę do energooszczędnych komputerów inspirowanych biologicznie i zaawansowanych systemów sensorycznych. Systemy te mogłyby działać bez wzmacniania sygnałów, co upraszcza konstrukcję i zwiększa efektywność. To kluczowe w dobie rosnącego zapotrzebowania na energooszczędne rozwiązania. Obecnie mamy wiele elektronicznych systemów sensorycznych noszonych na ciele, ale czujniki zbudowane z niskonapięciowych neuronów mogłyby obejść się bez dodatkowej amplifikacji.

Granica między biologią a elektroniką coraz bardziej się zaciera. Rozwój stochastycznych układów obliczeniowych opartych na nowych neuronach może doprowadzić do powstania komputerów, które będą jeszcze bardziej przypominać sposób przetwarzania informacji przez ludzki mózg. Pytanie brzmi, czy uda nam się odtworzyć nie tylko efektywność energetyczną, ale także złożoność i adaptacyjność biologicznego układu nerwowego.