Инженеры сообщили о создании «первого искусственного нейрона». Что это такое? Как его применить для лечения болезней?

Инженеры из Университета Бата рассказали о создании «искусственного нейрона» — электронного устройства, которое, если верить авторам, впервые в точности воспроизводит поведение настоящих нервных клеток человека. Пока речь идет только об одном из типов этих клеток, которые встречаются в головном мозге и участвуют в регуляции процессов дыхания и сердцебиения. Однако разработанная методика позволяет создавать кремниевые аналоги фактически любых нейронов — как тех, что находятся в центральной нервной системе, так и периферических. Журналисты уже прочат искусственным нейронам важную роль в лечении болезней Альцгеймера, Паркинсона и других состояний, сопровождающихся потерей живых нейронов. Но до этого пока очень далеко. Тем не менее, уже сейчас подобные устройства могут быть полезны как интерфейсы между мозгом и компьютером и «протезы» для самых базовых функций организма

Говоря об искусственных нейронах, разные ученые могут иметь в виду самые разные вещи. Например, когда математики и программисты говорят о нейросетях, они называют нейронами определенные объекты в архитектуре обработки данных, которые, в общем, не слишком отличаются от простых переменных в очень большом уравнении. На настоящие нейроны они похожи разве что тем, что соединены с другими подобными объектами в сеть, по которой течет информация.

Инженеры под искусственными нейронами могут иметь в виду нечто другое — например, сети мемристоров. Это устройства, которые также придуманы для вычислений и обработки данных, но свою биологическую, распределенную архитектуру они реализуют непосредственно в физическом виде — прямо на микросхеме. Этим они сильно отличаются от тех самых «нейросетей», которые обрабатывают изображения и существуют в виде софта для компьютеров вполне классической, не-нейроморфной архитектуры.

Те искусственные нейроны, о которых идет речь в новой статье, еще необычнее и еще ближе к своему биологическому прототипу. Они не производят цифровых вычислений и предназначены вовсе не для этого. Их главная задача — воспроизвести на микросхеме электрическую активность настоящих, живых клеток. Такой, какой она была бы, если бы вместо устройства там находился сам нейрон и к нему подходили ответвления других клеток. Такую микросхему можно назвать аналоговым симулятором — его работа никак не связана с вычислениями и даже не использует цифровой сигнал. В этом смысле искусственный нейрон ближе к ламповому радио, чем к обычном компьютеру.

Кому может понадобится такое устройство? Способно ли оно заменить отмирающие нейроны и взять на себя их функции? Можно ли будет из подобных нейронов создать электронный искусственный мозг? На все эти вопросы пока нет четких ответов, однако чтобы примерно представить, о каких областях применения может идти речь, достаточно вспомнить несколько уже существующих имплантируемых биомедицинских устройств.

Во-первых, это электрокардиостимуляторы, которые приходится использовать людям с аритмией — в инженерном плане они устроены гораздо примитивнее любых искусственных нейронов, при этом довольно громоздки и неудобны. Во-вторых, кохлеарные имплантаты, которые вводят во внутреннее ухо для непосредственного контакта со слуховым нервом. В-третьих, новые электронные стимуляторы для спинного мозга — подобное устройство использовалось в недавней работе для восстановления способности ходить у человека, получившего травму позвоночника.

Во всех этих случаях контакт между имплантируемым устройством и нервной системой устроен весьма примитивно — это «оптовая» электрическая стимуляция больших районов ткани, где присутствуют многие тысячи клеток. Создание искусственных нейронов и методов их подключения к нервной системе могло бы сделать эти устройства не только существенно «умнее», но и радикально снизить их электропотребление.

Некоторое представление о том, как это может выглядеть в ближайшем будущем, дает относительно недавний эксперимент на крысах, в котором с помощью специальной электронной схемы удалось воспроизвести взаимодействие между системой регуляции дыхания и сердцебиения животного. Ученым удалось довольно точно воспроизвести этот важный процесс («нейрон» считывал движения мышц и передавал сигналы на блуждающий нерв), однако для обработки такого сигнала понадобилось устройство размером с полноценную печатную плату, которое, к тому же, требовало довольно много энергии и не имело шансов стать имплантатом. Искусственный нейрон из Университета Бата в этом смысле — огромный шаг вперед, и вот почему.

Даже одиночный нейрон — довольно сложное устройство. Чтобы воспроизвести его работу, нужно опуститься на уровень молекул

Основная сложность при создании искусственной нервной клетки состоит в очень специфическом характере нервного импульса. Чтобы живой нейрон смог принять сигнал от искусственного, это должен быть сигнал строго определенного вида — на другие импульсы он просто не сможет правильно отреагировать. То же самое касается и передачи импульса в обратном направлении: он будет именно таким, каким его передаст мембрана нервной клетки, и искусственному нейрону нужно будет обработать его правильным образом.

Поэтому важно не только определиться с тем, откуда и куда надо передать сигнал, но и полностью воспроизвести всю его динамику, чтобы взаимодействие между настоящим нейроном и искусственным в процессе передачи сигнала прошло гладко, клетки поняли друг друга и нужным образом отреагировали.

Что же это за такой особенный характер нервного импульса, который так сложно воспроизвести в искусственной системе? Определяется он механизмом возбуждения на клеточной мембране. Как и в обычной электрической цепи, импульс зарождается, если подать в нужное место электрическое напряжение. В нервной клетке это приведет к тому, что изменится разность потенциалов между внешней и внутренней сторонами клеточной мембраны.

У невозбужденной клетки, которая не передает никаких сигналов, разность потенциалов между внутренней и внешней сторонами мембраны отрицательная (около -70 милливольт). При возбуждении она сначала растет и становится положительной (поднимается до +30 милливольт), после чего вновь падает в отрицательную область даже ниже начального уровня (до -90 милливольт), а потом постепенно возвращается к исходному состоянию. Весь этот процесс у разных организмов может занимать от нескольких миллисекунд до нескольких секунд и полностью обеспечивается работой ионных каналов для натрия и калия, которые в нужное время открываются или закрываются, реагируя на изменение напряжения на мембране. После передачи импульса ионные каналы на мембране на какое-то время остаются неактивными, и клетка берет паузу в работе, готовясь передавать следующий сигнал.

Смоделировать такую сложную последовательность изменений в искусственной электрической системе совсем непросто. Самым точным и естественным способом для этого оказалось создание «аналоговой» модели, которая работает примерно по тем же фундаментальным правилам, что и нервная клетка в живом организме.

Впервые схему электрической цепи, которая будет воспроизводить поведение системы ионных каналов на мембране нервной клетки, предложили Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Хаксли еще в середине прошлого века. Они представили мембрану как электрическую цепь, состоящую из четырех параллельных элементов: первый моделирует саму мембрану как конденсатор, а остальные представляют собой модели трех независимых ионных каналов с переменной проводимостью: один канал для ионов калия, второй — для ионов натрия, третий — для всех остальных ионов (в первую очередь хлора).

Чтобы воссоздать характерную для потенциала действия зависимость от времени, ученые подобрали параметры, описывающие изменение проводимости каждого из каналов с течением времени. То есть фактически они в виде уравнений записали, когда эти каналы открыты для тока ионов, а когда — закрыты. И именно эта модель, описывающая в явном виде работу ионных каналов, очень точно описала зависимость напряжения на мембране нейрона от времени.

Точность и миниатюрность — главное в новом кремниевом нейроне

Модель Ходжкина и Хаксли прекрасно работает в теории и как модельная электрическая схема в экспериментах, но вот использовать ее в качестве основы для прототипов нейроимплантатов никогда не удавалось.

Подавляющее большинство искусственных нейронов, синапсов и нейронных сетей пытались смоделировать общую структуру нервной системы, но практически никогда не пытались воссоздать характер нервного импульса. Но такой подход нельзя использовать, если мы хотим встроить искусственный нейрон в поврежденную нервную систему: новые элементы должны воспроизводить электрический сигнал как можно ближе к естественному. А те единичные аналоговые модели, которые физики предлагали именно для воссоздания правильной структуры импульса, упирались в сложности в технической реализации и работали лишь в очень узком диапазоне условий, не соответствующем условиям в живом организме.

На этот раз ученым под руководством Алена Ногаре (Alain Nogaret) удалось придумать такую схему электрической цепи, которая может служить полным аналогом нервной клетки и в точности воспроизводит реакцию на различные внешние стимулы. Транзисторы в этой схеме не требуют больших мощностей для работы, а законы изменения проводимости модельных ионных каналов полностью моделируют поведение мембраны настоящей нервной клетки.

Пока такой искусственный нейрон представляет собой микросхему на кремниевом чипе, зато он прошел серьезную трехстадийную проверку на пригодность. Первые два этапа проверки носили скорее методологический характер: сначала авторы работы проверили, насколько микросхема соответствует новой теоретической модели и классической модели Ходжкина-Хаксли. Оказалось, что для трехканальной системы точность работы искусственного нейрона превосходит 96%.

А вот третий этап проверки состоял в моделировании уже не теоретических моделей, а настоящих нейронов: пирамидальных клеток гиппокампа и нейронов дыхательного центра крысы. Для этих клеток хорошо изучены характеристики ионных каналов: их типы, количество, соотношение и пространственное расположение. Оказалось, что для обоих типов клеток можно сделать точные искусственные аналоги, если использовать шесть типов модельных ионных каналов и правильно задать правила их работы. Для оценки работоспособности нейронов биофизики «скормили» им 60 различных последовательностей электрических сигналов и сравнили с известными экспериментальными данными. Точность воспроизведения импульсов составила от 94% до 97%.

Такая точность при воспроизведении работы настоящих нервных клеток впечатляет и заставляет верить в неизбежное наступление эпохи биоэлектронной медицины. Тем не менее, некоторые важные проблемы ученым только предстоит решить.

Во-первых, так и не снят вопрос имплантации: пока такой нейрон удалось сделать только на чипе. Насколько сложно его будет вживить внутрь организма — непонятно. Во-вторых, неизбежно возникнет проблема создания искусственных синапсов — соединений нескольких элементов. Ведь именно за счет них электрический импульс должен передаваться от искусственной клетки к живой и именно за счет них сигнал по цепочке нейронов идет только в нужном направлении. Работы над этим ведутся уже давно, но создание первого полноценного искусственного нейрона, безусловно, эти исследования сильно ускорит.