Novákoviny

stránky publicisty Jana A. Nováka

Mozek srůstá s čipy

neurochip1Představa křížence člověka a stroje (třeba na způsob filmového Terminátora) vypadá na první pohled odpudivě - ale jen do chvíle, než biologické tělo začne vypovídat službu. Mnozí vědci přitom soudí, že takoví kříženci (kyborgové) časem nejen vyřeší problémy s chorobami a stárnutím, ale získají schopnosti, o jakých se obyčejným lidem může jen zdát. Že budoucnost tedy patří jim.

 

Není ani moc velká nadsázka, když řekneme, že kyborgové už mezi námi žijí: umělé klouby, končetiny, kardiostimulátory a další technické prvky zabudované do lidského těla se staly poměrně běžnou věcí. Pořád ještě je ale lepší mít ruku vlastní, než umělou, byť ovládanou s pomocí nejmodernějších počítačových technologií. Aby byla náhrada plnohodnotná, nebo dokonce lepší, je nutné přímé propojení s mozkem - a to samozřejmě neplatí jen o končetinách. Už dnes se vývojovým pracovištím daří touto cestou experimentálně vracet lidem ztracený zrak nebo sluch, vývoj ale míří ještě dál. Vize ze sci-fi, kdy nevyléčitelně nemocný, těžce zraněný, nebo beznadějně zestárlý člověk pouze přestoupí z dosluhující tělesné schránky do krásné nové karosérie, která mu dá nadlidské schopnosti, má sice do realizace stále velmi daleko, avšak zdaleka už nezní tak pohádkově, jako tomu bylo ještě před několika málo lety. A nechybí ani představy, v nichž se mozek doplní paměťovými čipy obsahujícími celé vědní obory, nebo/a s mozky dalších lidí, takže vznikne jakýsi kolektivní jedinec, bytost vyššího řádu, proti němuž budou intelektuální schopnosti dnešních lidí asi v podobném vztahu, jako jsou duševní výkony myši proti našim. Výzkum na tomto poli ale má význam už dnes při léčbě úrazů míchy nebo mozku a při boji s obávanými onemocněními nervové soustavy, jako je například roztroušená skleróza, epilepsie nebo Alzheimerova choroba.

 

Galaxie z neuronů

Aby ale bylo něco takového možné, musí se stroj s biologickým organismem propojit naprosto dokonale. To ovšem přináší zcela nové problémy: je nutné, aby umělé zařízení bylo s živými buňkami zcela kompatibilní (to znamená, aby docházelo k dokonalému přenosu signálu mezi čipem a nervem) a současně, aby je organismus neodmítal jako cizí nepřátelské těleso. Ukazuje se, že ani jedno, ani druhé, nebude právě snadné.

neurochip2

 

 

obr: Neuron. Takových máme v mozku až 100 miliard

 

 

Oborníci přímému propojováni mozku s počítačem nejčastěji říkají brain-computer interface (BCI), mind-machine interface (MMI), nebo direct neural interface (DNI). První vědecké práce na toto téma vznikly už v 70. letech minulého století - a brzy se objevily také první velké problémy.

První z nich spočívá v tom, že počítač a mozek pracují na zcela odlišných principech. Klasické počítače mají architekturu, kterou už v roce 1945 navrhl americký matematik maďarského původu John von Neumann. Mají tedy zvlášť paměťové jednotky, zvlášť jednotku provádějící matematické a logické operace a zvlášť jednotku řídící činnost všech ostatních částí. Samy od sebe neumí vůbec nic; aby něco předvedly, musí je někdo naprogramovat a ani pak se nedokáží naučit nic nového (nebo jen velmi omezeně).

Naproti tomu v mozku bychom něco jako procesor, harddisk nebo operační paměť nenašli - tvoří ho jen obrovské množství nervových buněk (neuronů) a jejich spojů (synapsí), které se programují samy na základě životních zkušeností. Neuron se skládá z těla (somy) obsahujícího buněčné jádro a z dvou druhů výběžků. Krátkých výběžků (tzv. dendritů) je na povrchu neuronu mnoho a přenášejí impulsy směrem dovnitř, tj. do sousedních neuronů. Dlouhý výběžek (axon) je na každém neuronu obvykle jen jeden, prostřednictvím mnoha výběžků na svém zakončení však může komunikovat s mnoha jinými neurony. Jeho délka představuje až desetitisícinásobek průměru těla neuronu. Přenáší vzruchy převážně směrem ven.

Lidský mozek obsahuje asi 100 miliard neuronů (přibližně stejně, jako je hvězd v naší Galaxii) a - velmi zjednodušeně řečeno - funguje tak, že ta kombinace spojení mezi neurony, jejichž akce vedla k žádoucímu výsledku, získá větší význam a v budoucnu přednost, když se organismus dostane do obdobné situace. Jinými slovy: osvědčená spojení se posilují, neúspěšná oslabují. I když jsou nervová spojení v mozku mnohem pomalejší, než pohyb signálů v čipu, je mozek jako celek výkonnější a energeticky nesrovnatelně účinnější.

Všechny tyto děje se v mozku odehrávají na mikroskopické úrovni a přitom v obrovském množství současně. Pochopit je v plném rozsahu stále ještě zůstává za hranicemi možností současné vědy, i když snaha rozhodně nechybí - mimo jiné proto, že plnohodnotně propojit mozek s dnešními počítači prakticky nejde; podobně jako nejde funkčně propojit automobil s koněm.

Proto ve vyspělých státech existují programy vývoje počítačové architektury založené na stejných principech, na jakých funguje mozek. K nejambicióznějším patří program SyNAPSE vyhlášený americkou agenturou DARPA. Cílem údajně je do roku 2017 vyvinout čip se 100 milióny neuronů, který by předvedl své schopnosti v robotovi s inteligencí kočky (ve skutečnosti ovšem má kočka neuronů sedmkrát víc).

 

Tajemství mořského koníka

Dalším problémem plnohodnotného propojení mozku se strojem je funkční srůstání neuronů s mikročipy. Pouhé zavedení elektrod do mozku totiž nestačí: není dost jemné a přesné a jde o invazívní metodu, která nervové buňky dráždí a poškozuje. Snahou proto je, aby neurony mikročip samy "obrostli" a vodivě se s ním spojili svými synapsemi.

neurochip3

 

obr: Hipokampus je důležitou oblastí mozku, která má význam pro proces zapamatování. Jeho neurony se - na rozdíl od většiny ostatních - množí i během života člověka

 

 

Dlouho se zdálo, že něco takového není možné, protože panovalo přesvědčení, že u savců je počet neuronů od narození konečný a nové už během života nevznikají. Soudilo se také, že nervová tkáň se proto neobnovuje ani v místech, kde došlo k jejímu poškození. Teprve poměrně nedávno vědci zjistili, že v mozku přece jen jsou oblasti, kde se neurony dělí stále i u dospělého člověka. Na prvním místě to je část mozku zvaná hipokampus, které od té doby neurologové věnují mimořádnou pozornost.

Centrální nervová soustava se u obratlovců vyvíjela (obrazně řečeno) postupně v jakýchsi vrstvách. Nejstarší z nich, mozkový kmen, řídí činnost orgánů, aniž bychom to mohli svým vědomím ovlivňovat. Další vrstvy odpovídají za pudové jednání, za vyhodnocování smyslových vjemů a podobně. Nejmladší vrstvou je bohatě zvrásněná mozková kůra (neokortex) na vnější straně mozku, která se začala výrazně vyvíjet až u vyšších savců a jíž mimo jiné vděčíme i za své intelektuální schopnosti.

Naproti tomu hipokampus je část vývojově starší. Pojmenování vzniklo od toho, že se tvarem podobá mořskému koníkovi (hippocampus je latinské jméno tohoto živočicha). Je umístěn ve střední části tzv. spánkového laloku v levé i pravé hemisféře. Právě tam se zpracovávají informace z ostatních částí mozku a výsledky těchto aktivit k nim opět vrací, což má patrně velký význam pro ukládání dat do dlouhodobé paměti. Stav hipokampu bezprostředně ovlivňuje krátkodobou paměť a prostorovou orientaci. Na hipokampus se soustřeďuje pozornost vědců usilujících a srůstání mozku s čipy nejen proto, že zde jsou nervové buňky schopné rozmnožování, ale i proto, že si po určitou dobu uchovávají schopnost elektrické aktivity i bez spojení se zbytkem mozku.

 

První kroky do neznáma

Poprvé se podařilo docílit komunikace mezi živými neurony a čipem roku 1995, šlo ale jen o velmi jednoduchý pokus. Tým biofyziků biofyziků z Planckova institutu biochemie v Mnichově vedený Peterem Fromherzem tehdy spojil živý neuron pijavice se silikonovým čipem a dokázal, že se vzájemně ovlivňují. O rok později Američan Richard Potember a jeho skupina z Hopkinson University úspěšně vypěstovali neurony krys na křemíkovém podkladě. Využili látku, která se nachází v mozku a ovlivňuje růst a dělení neuronů.

neurochip4

 

 

obr: Neurony rostou na čipu, kteý snímá jejich elektrické aktivity

 

 

Významného úspěchu dosáhli roku 2005 opět mnichovští vědci, když se jim podařilo část nervové tkáně z hipokampu přenést na počítačový čip a docílit toho, aby tam dál rostla. Výsledkem byl fungující neuronový systém z mozku savce, jehož činnost čip přesně monitoroval. Vědci tak získali dokonalý prostorový obraz aktivit části mozku s několika tisíci nervových buněk v nejrůznějších podmínkách a při různých typech dráždění. Na rozdíl od předešlých metod studia nervové soustavy, které byly invazívní a dovolovaly sledovat jen malé množství buněk, zde mohli badatelé poprvé pozorovat větší úsek tkáně a přitom interakce mezi buňkami vizualizovat s dosud nebývalým rozlišením, protože čip, na kterém mozková tkáň hipokampu krysy rostla, se vyznačoval vysokou plošnou koncentrací tranzistorů - 16 384 na čtvereční milimetr.

Roku 2009 Ben Strowbridge a Phillip Larimer z Case Western Reserve University v Ohiu izolovali a s čipem propojili soubor neuronů odebraných z hipokampu. Podařilo se jim přitom prokázat, že tyto buňky si "pamatovaly" vzruchy, které dostávaly prostřednictvím elektrod. Doba zapamatování přitom byla 10 vteřin, tedy přibližně stejná, jako mají některé typy krátkodobé paměti u člověka.

"Dokázali jsme, že sídlem paměti v mozku není jednotlivá buňka, ale skupiny buněk," komentoval výsledky experimentu Ben Strowbridge.

Dnes již se speciální čipy navržené pro "spolupráci" s neurony vyrábějí i komerčně; slouží především farmaceutickým firmám pro studium účinků chemických látek na nervovou tkáň a výzkumným pracovištím. Jde však o pouhý začátek vývoje, jehož konec nejsme schopni dohlédnout - alespoň pokud nebereme vážně sci-fi literaturu, v niž se civilizace tvořené kříženci biologických tvorů a strojů vyskytují běžně.

 

Jan A. Novák

Psáno pro časopis Moderní řízení

Přidat komentář


Bezpečnostní kód
Obnovit

Ze stejného soudku

 
Joomla Templates at JoomlaShack.com