A₧ dosud jen vd∞Φn² nßm∞t pro autory v∞decko-fantastickΘ literatury: mozkovΘ bu≥ky °φdφcφ poΦφtaΦ, nebo implantovanΘ Φipy, kterΘ v t∞le p°ejφmajφ ₧ivotnφ funkce. Ale dneÜnφ v∞dci u₧ na tom vß₧n∞ pracujφ...
Copak si asi myslφ laboratornφ krysa, kdy₧ vidφ v²zkumnφka v jeho bφlΘm plßÜti? Nevφme. A nejspφÜ se to nedozvφme ani tehdy, a₧ jednou bude krysφ mozek vestav∞n do poΦφtaΦe. TakovΘ stroje, v nich₧ budou pracovat ÜedΘ mozkovΘ bu≥ky inteligentnφch hlodavc∙, dokß₧φ jednoho krßsnΘho dne mnohem vφce ne₧ "k°emφkov²" poΦφtaΦ, jak jej znßme dnes. Ten p°es sv∙j ·₧asn² v²poΦetnφ v²kon z∙stßvß za ₧ivou bytostφ v mnohΘm beznad∞jn∞ pozadu. PoΦφtaΦe nap°φklad nedokß₧φ °φdit automobil. Palubnφ computer v aut∞, kter² by se alespo≥ vzdßlen∞ p°iblφ₧il schopnostem i mizernΘho °idiΦe, le₧φ, p°inejmenÜφm jeÜt∞ dnes, mimo vÜechny technickΘ mo₧nosti. Zatφmco Φlov∞k dokß₧e jednat v zßvislosti na situaci a asociovat, poΦφtaΦi - jak znφ trochu rozΦarovßvajφcφ poznatek jeho v²vojß°∙ - tyto schopnosti chyb∞jφ. StruΦn∞ °eΦeno, poΦφtaΦ neumφ myslet jako Φlov∞k.
Tφm spektakulßrn∞ji p∙sobφ vize v∞dc∙, kte°φ nynφ cht∞jφ opravdu realizovat v∞ci a₧ dosud vyhrazenΘ jen autor∙m sci-fi literatury. FyzikovΘ uva₧ujφ o spojenφ poΦφtaΦe s Φßstmi zvφ°ecφho mozku. "Zasφ¥ovanΘ" ÜedΘ mozkovΘ bu≥ky, pochßzejφcφ nap°φklad z krysy, tak obdr₧φ ·kol, kter² dokß₧φ vy°eÜit, a produkt jejich myÜlenφ pak z poΦφtaΦe vystoupφ jako v²sledek. Na celΘm plßnu je lßkavΘ p°edevÜφm to, ₧e se tak lze zmocnit schopnostφ mozku, ani₧ by bylo nutno p°esn∞ rozum∞t jeho funkcφm. Tento "stavebnφ prvek" funguje prost∞ jako Φernß sk°φ≥ka s jist²m vstupem a v²stupem, kterß spolupracuje s ostatnφmi komponentami poΦφtaΦe. Nutn²m p°edpokladem samoz°ejm∞ je, aby si bu≥ka a Φip mohly navzßjem vym∞≥ovat signßly. Komunikace mezi elektronick²m a biologick²m systΘmem musφ fungovat naprosto bezproblΘmov∞.
TotΘ₧ platφ i pro dalÜφ vizionß°sk² ·mysl v²zkumnφk∙: °φzenφ protΘz a implantßt∙ p°φmo z mozku. Slepc∙m cht∞jφ v∞dci pomocφ sφtnicov²ch implantßt∙ alespo≥ ΦßsteΦn∞ vrßtit zrak. Pot°ebnou komunikaci by zajiÜ¥oval Φip, kter² p°ijφmß optickΘ signßly a p°es svazky nerv∙ je vede dßle do mozku. Ne₧ se vÜak takto poda°φ vnφmat nejen sv∞telnΘ zßblesky, ale pacient uvidφ skuteΦnΘ obrazy svΘho okolφ, bude zapot°ebφ jeÜt∞ hodn∞ prßce v zßkladnφm v²zkumu. Za jeÜt∞ nesrovnateln∞ t∞₧Üφ se pova₧uje opovß₧livost chtφt z mozku pomocφ nerv∙ °φdit um∞lΘ konΦetiny. Zvlßdnutφ takto komplikovan²ch t°φdimenzionßlnφch systΘm∙ se zdß - pokud v∙bec - mo₧nΘ a₧ v dalekΘ budoucnosti.
"To vÜechno je jeÜt∞ science-fiction," vracφ profesor Peter Fromherz p°ßtelsky, ale neoblomn∞, hovor od vizφ k vÜednφmu dni v²zkumnφka. Vedoucφ odd∞lenφ neurofyziky Institutu Maxe Plancka pro biochemii (MPI) v Martinsriedu nedaleko Mnichova je pr∙kopnφkem v oblasti spojovßnφ ₧iv²ch bun∞k s elektronick²mi souΦßstmi. Ji₧ 17 let se sna₧φ nervovΘ bu≥ky pijavek, Ünek∙ a krys sp°ßtelit s elektrick²mi kontakty, nejprve na univerzit∞ v Ulmu, od roku 1994 na MPI v Martinsriedu.
Bu≥ky rostou na mikroΦipech
Pon∞vad₧ prßv∞ on p°φliÜ dob°e vφ, jak zdlouhavß takovß prßce je a jak nßroΦnΘ mohou b²t i sebemenÜφ pokroky, zvykl si u₧ p°edem tlumit ukvapen∞ optimistickß oΦekßvßnφ: je t°eba postupovat po realizovateln²ch kr∙Φcφch a nechtφt mnoho najednou. P°esto se profesoru Fromherzovi a jeho zhruba t°icetiΦlennΘmu t²mu nedßvno poda°ilo uskuteΦnit n∞kterΘ zßm∞ry, kterΘ u₧ dalÜφ ·sp∞chy posunujφ do oblasti mo₧nΘho. ┌sp∞chy, o nich₧ by se Fromherz jeÜt∞ p°ed nijak dlouhou dobou v∙bec neodvß₧il promluvit. Ale od doby, kdy se mu povedlo p°es k°emφkov² Φip elektrickou cestou p°enΘst nervovΘ signßly od bu≥ky k bu≥ce a na takovΘm Φipu nechat bu≥ky vytvß°et synapse, u₧ nenφ tak zdr₧enliv². "Nejsem ₧ßdn² skeptik bez vizφ - naopak: vyhlφdky na neurocomputer a novΘ mo₧nosti v protetice pova₧uji za velmi zajφmavΘ."
V roce 1991 Fromherz poprvΘ umφstil neuron (nervovou bu≥ku) z pijavky na Φip a tranzistor zachytil bu≥kou vysφlanΘ signßly. Roku 1995 se tento zßkladnφ experiment poda°il i v opaΦnΘm sm∞ru: bu≥ka byla p°es Φip drß₧d∞na elektrick²mi impulzy, na n∞₧ odpovφdala akΦnφmi potencißly, kterΘ bylo mo₧no m∞°it jako signßly.
Pijavky jsou jako pokusnß zvφ°ata oblφbeny hlavn∞ pro svou sm∙lu, ₧e se jejich pom∞rn∞ velkΘ nervovΘ bu≥ky dajφ snadno vypreparovat. Pon∞vad₧ jsou proto takΘ struktury na elektrickΘ stran∞ relativn∞ hrubΘ, fyzik∙m se pro n∞ snadno vyrßbφ k°emφkov² podklad - ₧ßdnΘ nanotechnologie ani komplikovanΘ CMOS procesy tady nejsou zapot°ebφ.
Mezitφm se nejmilejÜφmi zvφ°aty biofyzik∙ z Martinsriedu stali bahennφ Üneci. Jejich nervovΘ bu≥ky toti₧ vykazujφ lepÜφ signßlnφ chovßnφ, ne₧ je tomu u pijavek. "Preparovat neurony ze Ünek∙ je ovÜem trochu komplikovan∞jÜφ," vysv∞tluje Fromherz. Jenom p°echod od pijavek na Üneky stßl v∞dce dva roky v²zkumnΘ prßce. PokusnΘ exemplß°e se p∞stujφ v n∞kolika akvßriφch hned vedle laborato°φ. Aby se v²zkumnφci dostali k jejich nervov²m bu≥kßm, vyjmou je z ulit, omßmφ je a vypreparujφ mozek. Bu≥ky pak dßle rostou ve v²₧ivnΘm roztoku, kde jsou k dispozici pro pokusy. "Na rozdφl od jin²ch v²zkumn²ch oblastφ jsme na to zcela sami," poukazuje Fromherz na zvlßÜtnφ situaci svΘho t²mu, kterß zt∞₧uje a zpomaluje postup, nebo¥ si jeho spolupracovnφci musφ vÜe pot°ebnΘ ud∞lat sami. V interdisciplinßrn∞ zam∞°enΘm odd∞lenφ pro membrßnovou fyziku a neurofyziku pracujφ vedle v∞tÜiny fyzik∙ takΘ biologovΘ a chemici. Institut Maxe Plancka umo₧≥uje v∞dc∙m provßd∞t i v neobvykl²ch oborech dlouhodobΘ v²zkumy, jejich₧ v²sledky nejsou p°edem jistΘ. "V USA by si n∞co takovΘho nemohl dovolit nikdo," °φkß Fromherz.
Ve skuteΦnosti se o namßhavΘ piplßnφ s tit∞rn²mi zvφ°aty, nervov²mi bu≥kami a polovodiΦovou technikou dlouhou dobu skoro nikdo nezajφmal, pon∞vad₧ skrovnΘ v²sledky v²zkumu zdßnliv∞ neslibovaly znateln² u₧itek. "Ve°ejn² zßjem asi takΘ zßvisφ na duchu doby," dodßvß Fromherz, "nejspφÜ jsme s naÜimi v²zkumy prost∞ p°iÜli o deset let d°φve."
Od doby, kdy jeho t²m na MPI p°edvedl, co vÜechno se dß s bu≥kami a Φipy dokßzat, se vÜe zm∞nilo. Po ·sp∞Ün²ch pokusech se spojovßnφm neuron∙ a k°emφku se poslΘze takΘ poda°ilo donutit bu≥ky rostoucφ na k°emφkov²ch Φipech, aby sr∙staly a vytvß°ely synapse. Zcela zßsadnφm experimentem s p°enosem signßl∙ t∞mito hybridnφmi systΘmy je rozhranφ tvo°enΘ dv∞ma nervov²mi bu≥kami srostl²mi na jednom Φipu. Jedna z bun∞k se elektronicky podrß₧dφ, aby vyslala akΦnφ potencißl, kter² se biologickou cestou p°enese ke druhΘ bu≥ce a v nφ je op∞t zachycen Φipem. Tento poznatek mimo jinΘ znamenß p°φslib, ₧e z bun∞k a Φip∙ bude jednou mo₧nΘ sklßdat neuronßlnφ sφt∞. Nßhle tak stojφ spolu s biofyziky takΘ elektroin₧en²°i p°ed velkou v²zvou. Fromherz vφ proΦ: "P°i v²voji poΦφtaΦ∙ budeme za deset let, a₧ miniaturizace stavebnφch prvk∙ dosp∞je k hranici deseti nanometr∙, v koncφch. S biopoΦφtaΦi, jak alespo≥ naznaΦujφ spekulace, by se dalo dosp∞t dßl."
DalÜφm krokem na cest∞ k neuronßlnφm systΘm∙m jsou uΦφcφ se synapse. Oslovφme-li dv∞ spojenΘ bu≥ky ob∞ma komunikaΦnφmi kanßly, jejich aktivita se zv²Üφ, co₧ v biologickΘ sφti odpovφdß uΦebnφmu procesu. BiofyzikovΘ v Martinsriedu se te∩ zam∞°ili na dva sm∞ry. Jednak cht∞jφ optimalizovat rozhranφ mezi bu≥kou a Φipem a zßrove≥ se u₧ takΘ pouÜt∞jφ do tvorby komplexn∞jÜφch systΘm∙.
V polovodiΦφch i v nervov²ch bu≥kßch se sice signßly p°enßÜejφ elektrickou cestou, ale vφc toho spoleΦnΘho nemajφ. V k°emφku p°enßÜejφ informaci elektrony, v bu≥kßch se tohoto ·kolu ujaly ionty. Oba tyto systΘmy jsou naprosto nekompatibilnφ. P°i p°φmΘm kontaktu elektrony poÜkozujφ bu≥ku, ionty zase zp∙sobujφ korozi Φipu. K zabrßn∞nφ p°φmΘho styku se proto pou₧φvß tenkß vrstva oxidu k°emφku. Informace se pak p°edßvß nikoli p°φmou v²m∞nou nosiΦ∙ nßboje, ale prost°ednictvφm elektrickΘho pole mezi ob∞ma mΘdii.
Pokud jde o ₧ivotnost neuroΦip∙, zpravidla d°φve vypovφ slu₧bu elektronickß Φßst. NervovΘ bu≥ky lze udr₧et v aktivit∞ tak°ka libovoln∞ dlouho, b∞hem r∙stu vÜak sv∙j Φip Φasto poniΦφ, podobn∞ jako se n∞kdy ko°eny stromu provrtajφ skrz asfalt. Jenom ten, kdo p°esn∞ poznal tuto hraniΦnφ oblast, je schopen cel² interface zdokonalit. Proto se intenzivn∞ pracuje na metodßch, jak zlepÜit m∞°enφ odstupu mezi Φipem a bu≥kou a jak tam co nejp°esn∞ji urΦit elektrick² odpor. "╚φm lΘpe zvlßdneme vedlejÜφ efekty, tφm lΘpe budeme p°enßÜet signßly mezi bu≥kami a tranzistory," vysv∞tluje fyzik Raimund Gleixner z MPI.
JeÜt∞ napφnav∞jÜφ je druh² sm∞r v²zkumu: kontakt komplexnφch mikroΦip∙ s velk²mi shluky bun∞k. Jßdro pokusn²ch sestav tu tvo°φ °ezy z krysφho mozku. Podle Fromherze "u mozku savc∙ nehraje jednotlivß bu≥ka tak velkou roli jako t°eba u Ünek∙". Proto se v tomto p°φpad∞ nem∞°φ akΦnφ potencißly jednotliv²ch bun∞k, ale jen sumßrnφ signßl vyslan² cel²m spoleΦenstvφm bun∞k.
Mφsto aby kladli jednotlivΘ bu≥ky na jednotlivΘ tranzistory, spojujφ te∩ v∞dci pom∞rn∞ velkΘ vzorky bun∞k s mikroprocesory sestßvajφcφmi z hust²ch tranzistorov²ch m°φ₧ek. Tam, kde dojde ke kontaktu, mohou b²t hned zm∞°eny signßly. Fromherz se u₧ m∙₧e pochlubit prvnφmi ·sp∞chy: "Jde to napoprvΘ neoΦekßvan∞ dob°e. M∞li jsme s tφm zaΦφt u₧ d°φv." Odd∞lenφ membrßnovΘ fyziky a neurofyziky mß k dispozici vlastnφ Φist² prostor, v n∞m₧ si mohlo samostatn∞ vyrobit valnou Φßst pot°ebn²ch Φip∙. Pon∞vad₧ fyzikovΘ ji₧ n∞kolik let kooperujφ se Siemensem, bude nynφ jeho dce°inß spoleΦnost Infineon technikou CMOS vyrßb∞t Φip s 15 000 kontakty, jeho₧ prost°ednictvφm bude mo₧no nervovΘ bu≥ky stimulovat a zachycovat jejich signßly. Tak bude i ve velk²ch sφtφch realizovßna v²m∞na signßl∙ s rozliÜenφm jednoho mikrometru. Otev°enß ovÜem z∙stßvß otßzka, jak potom zpracovat gigantickΘ objemy zφskan²ch dat. S t∞mi by si souΦasnΘ poΦφtaΦe nedokßzaly poradit - stejn∞ jako s °φzenφm automobilu.
Manfred Flohr
Posedlost: Profesor se chce stßt prvnφm "kyborgem"
Zatφmco jedni se s p°emφrou trp∞livosti mo°φ se zßkladnφm v²zkumem, jinφ u₧ se nemohou doΦkat, a₧ koneΦn∞ budou Φlov∞k a poΦφtaΦ vnit°n∞ propojeni. Profesor Kevin Warwick z univerzity v Readingu (Anglie) je parßdnφm p°φkladem v²st°ednφho Brita. Posedl² myÜlenkou stßt se prvnφm "kyborgem" sv∞ta, nechal si letos ji₧ podruhΘ do t∞la implantovat Φip. V²raz "kyborg" (odvozen² od "kybernetick² organismus") oznaΦuje um∞lou bytost tvo°enou zΦßsti Φlov∞kem, zΦßsti strojem.
P°i vφce ne₧ dv∞ hodiny trvajφcφ operaci na jistΘ klinice v Oxfordu si Warwick nechal zasadit do zßp∞stφ Φip se stovkou v²vod∙, od nich₧ vedou skrz p°edloktφ tenouΦkΘ drßtky. Ty z k∙₧e vy·s¥ujφ pod loktem a jsou napojeny na vysφlaΦ, jφm₧ se uskuteΦ≥uje komunikace s poΦφtaΦem. Zatφmco p°i prvnφm pokusu se nervovΘ signßly p°edloktφ vysφlaly jen sm∞rem do poΦφtaΦe, nynφ mß komunikace mezi nervov²m systΘmem a poΦφtaΦem probφhat ob∞ma sm∞ry. Znamenß to tedy, ₧e do Warwickovy ruky by m∞ly p°ichßzet nejen povely z jeho mozku, ale takΘ signßly, kterΘ vyÜle poΦφtaΦ. Jako v∞dec z∙stßvß Warwick izolovßn: pro svΘ kolegy je dnes spφÜe jak²msi baronem PrßÜilem...
Rozhovor s biofyzikem Peterem Fromherzem
Pane profesore, budou se nßm jednoho dne implantovat Φipy do mozku?
Fromherz: To je Φistß science-fiction. Myslφm, ₧e tak daleko nikdy nep∙jdeme. Ale na t∞chto spekulacφch bych se v∙bec necht∞l podφlet. Aby se poda°il i mal² kr∙Φek vp°ed, je zde zapot°ebφ zdlouhav² zßkladnφ v²zkum. Mnozφ v∞dci jsou vÜak nuceni opakovat m≤dnφ hesla a slibovat brzkΘ v²sledky, aby na sv∙j v²zkum zφskali penφze. ╪ada vizφ, kterΘ se takto dostanou na ve°ejnost, je Φir² nesmysl.
JakΘ cφle svou pracφ sledujete?
Fromherz: P°edevÜφm vyvφjφme novΘ m∞°icφ metody pro neurobiologii. Pomocφ jednΘ, dvou Φi deseti elektrod je nemo₧nΘ zjistit, jak mozek se sv²mi deseti miliardami nervov²ch bun∞k funguje. MikroΦip by dokßzal vytvo°it miliony kontakt∙ a tomuto cφli nßs alespo≥ p°iblφ₧it. TakΘ v biosenzorice jsou ·sp∞chy na dosah. V kombinaci s bun∞Φnou genetikou by se dal provßd∞t farmakologick² screening, tj. p∙sobenφ nov²ch lΘk∙ vyzkouÜet jednoduÜe "ve zkumavce".
Co nßm zde jeÜt∞ p°inese vzdßlen∞jÜφ budoucnost?
Fromherz: Nebudeme se sice pokouÜet poznat, jak mozek funguje, m∙₧eme ale vyu₧φt sφ¥ov²ch vlastnostφ neuron∙ k poΦφtßnφ. Tφm tedy sm∞°ujeme k neuropoΦφtaΦ∙m. Prvnφ v²sledky by mohly b²t vid∞t tak do p∞ti a₧ deseti let. Nebude to ovÜem ₧ßdn² "PC s mozkem", ale laboratornφ experimenty. Mo₧nost napojovat protΘzy na nervy byla vid∞na p°φliÜ optimisticky - je to mnohem obtφ₧n∞jÜφ, ne₧ se experti domnφvali. Chybφ tu prost∞ jeÜt∞ mnoho zßkladnφch p°edpoklad∙. Dlouhodob∞ jsem optimistick², v∞°φm, ₧e i toto se poda°φ, ale nejd°φve tak do dvaceti let.
╚eho chcete svou pracφ dosßhnout vy osobn∞?
Fromherz: My jsme se sv²mi v²zkumy p°iÜli p°edΦasn∞, o n∞jak²ch deset let d°φve, a o naÜi prßci nebyl pra₧ßdn² zßjem. Te∩ u₧ musφm Φas dohßn∞t. Ale dovedu si dob°e p°edstavit, ₧e bych se jeÜt∞ podφlel na v²zkumu implantßt∙ sφtnice. Jsem zv∞dav, co se stane, a₧ jednou p°ilo₧φm sφtnici na Φip.
Ve kterΘm oboru vidφte nejv∞tÜφ Üance pro budoucnost?
Fromherz: Z dlouhodobΘho hlediska je velmi zajφmav² projekt biopoΦφtaΦe. Pokud se poda°φ spojenφ nervov²ch bun∞k s procesory, budou moci poΦφtaΦe jednoho dne myslet, jak to dosud dokß₧e jen mozek.
