Neuročipy
Nervy pro počítače
Až dosud jen vděčný námět pro autory vědecko-fantastické literatury: mozkové buňky řídící počítač, nebo implantované čipy, které v těle přejímají životní funkce. Ale dnešní vědci už na tom vážně pracují...

Copak si asi myslí laboratorní krysa, když vidí výzkumníka v jeho bílém plášti? Nevíme. A nejspíš se to nedozvíme ani tehdy, až jednou bude krysí mozek vestavěn do počítače. Takové stroje, v nichž budou pracovat šedé mozkové buňky inteligentních hlodavců, dokáží jednoho krásného dne mnohem více než "křemíkový" počítač, jak jej známe dnes. Ten přes svůj úžasný výpočetní výkon zůstává za živou bytostí v mnohém beznadějně pozadu. Počítače například nedokáží řídit automobil. Palubní computer v autě, který by se alespoň vzdáleně přiblížil schopnostem i mizerného řidiče, leží, přinejmenším ještě dnes, mimo všechny technické možnosti. Zatímco člověk dokáže jednat v závislosti na situaci a asociovat, počítači - jak zní trochu rozčarovávající poznatek jeho vývojářů - tyto schopnosti chybějí. Stručně řečeno, počítač neumí myslet jako člověk.
Tím spektakulárněji působí vize vědců, kteří nyní chtějí opravdu realizovat věci až dosud vyhrazené jen autorům sci-fi literatury. Fyzikové uvažují o spojení počítače s částmi zvířecího mozku. "Zasíťované" šedé mozkové buňky, pocházející například z krysy, tak obdrží úkol, který dokáží vyřešit, a produkt jejich myšlení pak z počítače vystoupí jako výsledek. Na celém plánu je lákavé především to, že se tak lze zmocnit schopností mozku, aniž by bylo nutno přesně rozumět jeho funkcím. Tento "stavební prvek" funguje prostě jako černá skříňka s jistým vstupem a výstupem, která spolupracuje s ostatními komponentami počítače. Nutným předpokladem samozřejmě je, aby si buňka a čip mohly navzájem vyměňovat signály. Komunikace mezi elektronickým a biologickým systémem musí fungovat naprosto bezproblémově.
Totéž platí i pro další vizionářský úmysl výzkumníků: řízení protéz a implantátů přímo z mozku. Slepcům chtějí vědci pomocí sítnicových implantátů alespoň částečně vrátit zrak. Potřebnou komunikaci by zajišťoval čip, který přijímá optické signály a přes svazky nervů je vede dále do mozku. Než se však takto podaří vnímat nejen světelné záblesky, ale pacient uvidí skutečné obrazy svého okolí, bude zapotřebí ještě hodně práce v základním výzkumu. Za ještě nesrovnatelně těžší se považuje opovážlivost chtít z mozku pomocí nervů řídit umělé končetiny. Zvládnutí takto komplikovaných třídimenzionálních systémů se zdá - pokud vůbec - možné až v daleké budoucnosti.
"To všechno je ještě science-fiction," vrací profesor Peter Fromherz přátelsky, ale neoblomně, hovor od vizí k všednímu dni výzkumníka. Vedoucí oddělení neurofyziky Institutu Maxe Plancka pro biochemii (MPI) v Martinsriedu nedaleko Mnichova je průkopníkem v oblasti spojování živých buněk s elektronickými součástmi. Již 17 let se snaží nervové buňky pijavek, šneků a krys spřátelit s elektrickými kontakty, nejprve na univerzitě v Ulmu, od roku 1994 na MPI v Martinsriedu.

Buňky rostou na mikročipech
Poněvadž právě on příliš dobře ví, jak zdlouhavá taková práce je a jak náročné mohou být i sebemenší pokroky, zvykl si už předem tlumit ukvapeně optimistická očekávání: je třeba postupovat po realizovatelných krůčcích a nechtít mnoho najednou. Přesto se profesoru Fromherzovi a jeho zhruba třicetičlennému týmu nedávno podařilo uskutečnit některé záměry, které už další úspěchy posunují do oblasti možného. Úspěchy, o nichž by se Fromherz ještě před nijak dlouhou dobou vůbec neodvážil promluvit. Ale od doby, kdy se mu povedlo přes křemíkový čip elektrickou cestou přenést nervové signály od buňky k buňce a na takovém čipu nechat buňky vytvářet synapse, už není tak zdrženlivý. "Nejsem žádný skeptik bez vizí - naopak: vyhlídky na neurocomputer a nové možnosti v protetice považuji za velmi zajímavé."
V roce 1991 Fromherz poprvé umístil neuron (nervovou buňku) z pijavky na čip a tranzistor zachytil buňkou vysílané signály. Roku 1995 se tento základní experiment podařil i v opačném směru: buňka byla přes čip drážděna elektrickými impulzy, na něž odpovídala akčními potenciály, které bylo možno měřit jako signály.
Pijavky jsou jako pokusná zvířata oblíbeny hlavně pro svou smůlu, že se jejich poměrně velké nervové buňky dají snadno vypreparovat. Poněvadž jsou proto také struktury na elektrické straně relativně hrubé, fyzikům se pro ně snadno vyrábí křemíkový podklad - žádné nanotechnologie ani komplikované CMOS procesy tady nejsou zapotřebí.
Mezitím se nejmilejšími zvířaty biofyziků z Martinsriedu stali bahenní šneci. Jejich nervové buňky totiž vykazují lepší signální chování, než je tomu u pijavek. "Preparovat neurony ze šneků je ovšem trochu komplikovanější," vysvětluje Fromherz. Jenom přechod od pijavek na šneky stál vědce dva roky výzkumné práce. Pokusné exempláře se pěstují v několika akváriích hned vedle laboratoří. Aby se výzkumníci dostali k jejich nervovým buňkám, vyjmou je z ulit, omámí je a vypreparují mozek. Buňky pak dále rostou ve výživném roztoku, kde jsou k dispozici pro pokusy. "Na rozdíl od jiných výzkumných oblastí jsme na to zcela sami," poukazuje Fromherz na zvláštní situaci svého týmu, která ztěžuje a zpomaluje postup, neboť si jeho spolupracovníci musí vše potřebné udělat sami. V interdisciplinárně zaměřeném oddělení pro membránovou fyziku a neurofyziku pracují vedle většiny fyziků také biologové a chemici. Institut Maxe Plancka umožňuje vědcům provádět i v neobvyklých oborech dlouhodobé výzkumy, jejichž výsledky nejsou předem jisté. "V USA by si něco takového nemohl dovolit nikdo," říká Fromherz.
Ve skutečnosti se o namáhavé piplání s titěrnými zvířaty, nervovými buňkami a polovodičovou technikou dlouhou dobu skoro nikdo nezajímal, poněvadž skrovné výsledky výzkumu zdánlivě neslibovaly znatelný užitek. "Veřejný zájem asi také závisí na duchu doby," dodává Fromherz, "nejspíš jsme s našimi výzkumy prostě přišli o deset let dříve."
Od doby, kdy jeho tým na MPI předvedl, co všechno se dá s buňkami a čipy dokázat, se vše změnilo. Po úspěšných pokusech se spojováním neuronů a křemíku se posléze také podařilo donutit buňky rostoucí na křemíkových čipech, aby srůstaly a vytvářely synapse. Zcela zásadním experimentem s přenosem signálů těmito hybridními systémy je rozhraní tvořené dvěma nervovými buňkami srostlými na jednom čipu. Jedna z buněk se elektronicky podráždí, aby vyslala akční potenciál, který se biologickou cestou přenese ke druhé buňce a v ní je opět zachycen čipem. Tento poznatek mimo jiné znamená příslib, že z buněk a čipů bude jednou možné skládat neuronální sítě. Náhle tak stojí spolu s biofyziky také elektroinženýři před velkou výzvou. Fromherz ví proč: "Při vývoji počítačů budeme za deset let, až miniaturizace stavebních prvků dospěje k hranici deseti nanometrů, v koncích. S biopočítači, jak alespoň naznačují spekulace, by se dalo dospět dál."
Dalším krokem na cestě k neuronálním systémům jsou učící se synapse. Oslovíme-li dvě spojené buňky oběma komunikačními kanály, jejich aktivita se zvýší, což v biologické síti odpovídá učebnímu procesu. Biofyzikové v Martinsriedu se teď zaměřili na dva směry. Jednak chtějí optimalizovat rozhraní mezi buňkou a čipem a zároveň se už také pouštějí do tvorby komplexnějších systémů.
V polovodičích i v nervových buňkách se sice signály přenášejí elektrickou cestou, ale víc toho společného nemají. V křemíku přenášejí informaci elektrony, v buňkách se tohoto úkolu ujaly ionty. Oba tyto systémy jsou naprosto nekompatibilní. Při přímém kontaktu elektrony poškozují buňku, ionty zase způsobují korozi čipu. K zabránění přímého styku se proto používá tenká vrstva oxidu křemíku. Informace se pak předává nikoli přímou výměnou nosičů náboje, ale prostřednictvím elektrického pole mezi oběma médii.
Pokud jde o životnost neuročipů, zpravidla dříve vypoví službu elektronická část. Nervové buňky lze udržet v aktivitě takřka libovolně dlouho, během růstu však svůj čip často poničí, podobně jako se někdy kořeny stromu provrtají skrz asfalt. Jenom ten, kdo přesně poznal tuto hraniční oblast, je schopen celý interface zdokonalit. Proto se intenzivně pracuje na metodách, jak zlepšit měření odstupu mezi čipem a buňkou a jak tam co nejpřesněji určit elektrický odpor. "Čím lépe zvládneme vedlejší efekty, tím lépe budeme přenášet signály mezi buňkami a tranzistory," vysvětluje fyzik Raimund Gleixner z MPI.
Ještě napínavější je druhý směr výzkumu: kontakt komplexních mikročipů s velkými shluky buněk. Jádro pokusných sestav tu tvoří řezy z krysího mozku. Podle Fromherze "u mozku savců nehraje jednotlivá buňka tak velkou roli jako třeba u šneků". Proto se v tomto případě neměří akční potenciály jednotlivých buněk, ale jen sumární signál vyslaný celým společenstvím buněk.
Místo aby kladli jednotlivé buňky na jednotlivé tranzistory, spojují teď vědci poměrně velké vzorky buněk s mikroprocesory sestávajícími z hustých tranzistorových mřížek. Tam, kde dojde ke kontaktu, mohou být hned změřeny signály. Fromherz se už může pochlubit prvními úspěchy: "Jde to napoprvé neočekávaně dobře. Měli jsme s tím začít už dřív." Oddělení membránové fyziky a neurofyziky má k dispozici vlastní čistý prostor, v němž si mohlo samostatně vyrobit valnou část potřebných čipů. Poněvadž fyzikové již několik let kooperují se Siemensem, bude nyní jeho dceřiná společnost Infineon technikou CMOS vyrábět čip s 15 000 kontakty, jehož prostřednictvím bude možno nervové buňky stimulovat a zachycovat jejich signály. Tak bude i ve velkých sítích realizována výměna signálů s rozlišením jednoho mikrometru. Otevřená ovšem zůstává otázka, jak potom zpracovat gigantické objemy získaných dat. S těmi by si současné počítače nedokázaly poradit - stejně jako s řízením automobilu.

Manfred Flohr

Posedlost: Profesor se chce stát prvním "kyborgem"
Zatímco jedni se s přemírou trpělivosti moří se základním výzkumem, jiní už se nemohou dočkat, až konečně budou člověk a počítač vnitřně propojeni. Profesor Kevin Warwick z univerzity v Readingu (Anglie) je parádním příkladem výstředního Brita. Posedlý myšlenkou stát se prvním "kyborgem" světa, nechal si letos již podruhé do těla implantovat čip. Výraz "kyborg" (odvozený od "kybernetický organismus") označuje umělou bytost tvořenou zčásti člověkem, zčásti strojem.
Při více než dvě hodiny trvající operaci na jisté klinice v Oxfordu si Warwick nechal zasadit do zápěstí čip se stovkou vývodů, od nichž vedou skrz předloktí tenoučké drátky. Ty z kůže vyúsťují pod loktem a jsou napojeny na vysílač, jímž se uskutečňuje komunikace s počítačem. Zatímco při prvním pokusu se nervové signály předloktí vysílaly jen směrem do počítače, nyní má komunikace mezi nervovým systémem a počítačem probíhat oběma směry. Znamená to tedy, že do Warwickovy ruky by měly přicházet nejen povely z jeho mozku, ale také signály, které vyšle počítač. Jako vědec zůstává Warwick izolován: pro své kolegy je dnes spíše jakýmsi baronem Prášilem...

Rozhovor s biofyzikem Peterem Fromherzem
Pane profesore, budou se nám jednoho dne implantovat čipy do mozku?
Fromherz: To je čistá science-fiction. Myslím, že tak daleko nikdy nepůjdeme. Ale na těchto spekulacích bych se vůbec nechtěl podílet. Aby se podařil i malý krůček vpřed, je zde zapotřebí zdlouhavý základní výzkum. Mnozí vědci jsou však nuceni opakovat módní hesla a slibovat brzké výsledky, aby na svůj výzkum získali peníze. Řada vizí, které se takto dostanou na veřejnost, je čirý nesmysl.

Jaké cíle svou prací sledujete?
Fromherz: Především vyvíjíme nové měřicí metody pro neurobiologii. Pomocí jedné, dvou či deseti elektrod je nemožné zjistit, jak mozek se svými deseti miliardami nervových buněk funguje. Mikročip by dokázal vytvořit miliony kontaktů a tomuto cíli nás alespoň přiblížit. Také v biosenzorice jsou úspěchy na dosah. V kombinaci s buněčnou genetikou by se dal provádět farmakologický screening, tj. působení nových léků vyzkoušet jednoduše "ve zkumavce".

Co nám zde ještě přinese vzdálenější budoucnost?
Fromherz: Nebudeme se sice pokoušet poznat, jak mozek funguje, můžeme ale využít síťových vlastností neuronů k počítání. Tím tedy směřujeme k neuropočítačům. První výsledky by mohly být vidět tak do pěti až deseti let. Nebude to ovšem žádný "PC s mozkem", ale laboratorní experimenty. Možnost napojovat protézy na nervy byla viděna příliš optimisticky - je to mnohem obtížnější, než se experti domnívali. Chybí tu prostě ještě mnoho základních předpokladů. Dlouhodobě jsem optimistický, věřím, že i toto se podaří, ale nejdříve tak do dvaceti let.

Čeho chcete svou prací dosáhnout vy osobně?
Fromherz: My jsme se svými výzkumy přišli předčasně, o nějakých deset let dříve, a o naši práci nebyl pražádný zájem. Teď už musím čas dohánět. Ale dovedu si dobře představit, že bych se ještě podílel na výzkumu implantátů sítnice. Jsem zvědav, co se stane, až jednou přiložím sítnici na čip.

Ve kterém oboru vidíte největší šance pro budoucnost?
Fromherz: Z dlouhodobého hlediska je velmi zajímavý projekt biopočítače. Pokud se podaří spojení nervových buněk s procesory, budou moci počítače jednoho dne myslet, jak to dosud dokáže jen mozek.


infotipy
www.biochem.mpg.de/mnphys/
www.nero.uni-bonn.de/projekte/ri/ri-index-en.htm
www.kevinwarwick.com/