Kljub tej zmagi pa računalniki človeka ne dosegajo pri vidu, sluhu, prepoznavanju vzorcev in učenju. Računalnik na primer ne prepozna po hoji našega prijatelja v daljavi. Tudi po operativni učinkovitosti ni kos človeku. Tipičen, kot soba velik
superračunalnik tehta približno 1000-krat več, zasede 10.000-krat več prostora in porabi milijonkrat več moči kakor za melono velika gmota živčnega tkiva, ki tvori naše možgane. Kako je to mogoče? Zdi se, da je skrivnost v tem, kako možgani urejajo svoje počasi delujoče električne komponente.

Možgani ne izpolnjujejo šifriranih navodil, ampak aktivirajo povezave (sinapse) med nevroni. Vsako tako dejanje je enakovredno izpolnitvi digitalnega navodila, zato je število povezav, ki jih možgani aktivirajo vsako sekundo, primerljivo s številom navodil, ki jih v istem času opravi računalnik. Dejavnost sinaps je osupljiva: 1016 na sekundo. Enako delo bi ob nekaj sto megavatih zmoglo milijon računalnikov, opremljenih s procesorji Intel Pentium.

Majhna, a inovativna skupnost inženirjev je pri posnemanju organiziranosti nevronov in njihovih vlog lepo napredovala. Raziskovalci poročajo, da so »morfizirali« strukturo živčnih povezav v silikonske tokokorge, ki sestavljajo nevromorfološke mikročipe. Če se bo dosežek obnesel, bi lahko pripomogel k razvoju silikonskih mrežnic za slepe in zvočnih procesorjov za gluhe, ki bi z eno samo 9-voltno baterijo delovali 30 let, in k cenovno nezahtevnim visoko učinkovitim čipom za prepoznavanje vidnih, slušnih in okušalnih zaznav pri robotih in drugih umetnih inteligencah.

Skupina znanstvenikov na Univerzi v Pennsylvanii se je najprej posvetila izdelavi mrežnice – pol milimetra debelega sloja tkiva, ki prekriva zadnjo stran očesa. Sestavljena je iz 5 slojev specializiranih živčnih celic, ki vidno podobo »predobdelajo« brez velikega sodelovanja možganov. Mrežnico so izbrali, ker je njena anatomija dobro raziskana. Poustvarili so razvojni mehanizem, ki tvori te biološke tokokroge. Proces so poimenovali metamorfiziranje.

Nevromorfiziranje mrežnice

Skoraj pol milijona ganglijskih celic v mrežnici primerja vidne signale, ki jih prejema iz skupin, ki štejejo od šest do več sto svetlobnih receptorjev. Vsaka skupina interpretira, kaj se dogaja na majhnem delčku vidnega polja. Ko se lastnosti, kot je svetlost, na določenem območju močno spremenijo, vsaka ganglijska celica prenese električne impulze (t. i. spike) po vidnem živcu v možgane. Število impulzov, ki jih odda posamezna celica, je sorazmerno z relativno spremembo svetlosti v času in prostoru – ne z absolutno ravnjo vhodnih signalov. Vseh pet slojev mrežnice je strokovnjakom uspelo morfizirati leta 2001. Silikonski mrežnični čip predvaja odzive štirih glavnih tipov ganglijskih celic v mrežnici, ki skupaj predstavljajo do 90 % vidnega živca.

Čip posnema ustroj žive mrežnice. V zgodnjih razvojnih stadijih očesa ganglijske celice v mrežnici sprožajo aksone v senzorni center srednjih možganov, imenovan tektum. Mrežnični aksoni se ustalijo na kemičnih sledeh, ki jih spuščajo bližnje celice tektuma, katere se aktivirajo ob istem času, zato se povezave med nevroni, ki so dejavni sočasno, ustalijo. Naposled se v srednjih možganih oblikuje zemljevid prostorske organiziranosti mrežničnih senzorjev. Ta proces skušajo posnemati za morfizacijo samoorganizirajočih se vezi med celicami v njihovem silikonskem mrežničnem čipu Visio 1 in pri umetnem čipu za vsaditev v tektum, imenovanim Neurotope 1. V umetnih ganglijskih celicah vzbujajo električne izhodne signale, da s pomočjo spominskega čipa potujejo v celice tektuma. Mrežnični čip priskrbi naslov odposlanega silikonskega nevrona, čip za tektum pa poustvari ta impulz na ustreznem mestu. Če se zaplatica skupaj umeščenih silikonskih nevronov v umetni mrežnici aktivira večkrat, se aksoni celic tektuma in točke, ki so bile sprva bolj narazen, zbližajo.

Ta nevromorfološki čip uporablja le tisočino elektrike, ki jo potrebuje osebni računalnik. Ker je silikonska mrežnica tako varčna, bi lahko utrla pot celotni znotrajočesni protetiki za slepe z retinitisom pigmentoso, pri katerih so poškodovani svetlobni receptorji, ganglijske celice pa ne. Oskrbeli bi jih s kamero, procesorjem in spodbujevalcem znotraj očesa. Mrežnične proteze, ki jih razvijajo zdaj, npr. na Univerzi v Južni Kaliforniji, omogočajo, da človek zaznava svet kot mrežo svetlobnih točk. Ustvarimo pa ga tako, da ganglijske celice spodbujamo z mikroelektrodami, vsajenimi znotraj očesa. Potreben je še računalnik, ki omogoča obdelovaje slik, ki jih ujame videokamera na pacientovih očalih. Ta način omogoča tunelski vid, pri čemer so za skeniranje videnega potrebni gibi glave.

Če bi kot kamero uporabili sámo oko, se bolniku ne bi bilo treba tako naprezati in izhodne informacije čipa s 3600 ganglijskimi celicami bi omogočale skoraj normalen vid. Da bi zanesljive proteze morda do leta 2010 postale resničnost, bi bilo potrebno izpopolniti biokompatibilne materiale za vgradnjo, vmesne stimulativne ploskve in tudi bolje razumeti, kako se različne celice v mrežnici odzivajo na spodbujanje in kako pripomorejo k zaznavanju. Do takrat bi bilo tovrstne nevromorfijske čipe mogoče uporabljati kot senzorje v avtomobilskih ali varnostnih napravah, avtomatskih tovarniških in robotskih sistemih.

Metamorfiziranje živčnih povezav

Porodilo se je vprašanje, kako možgani dosegajo tako visoko učinkovitost. Ta je pri računalnikih tem večja čim bolj je strojna oprema prilagojena trenutni nalogi. Konvencionalni računalniki tega ne dovoljujejo, zato je treba izpopolniti programsko opremo. Za vsako opravilo uporabljajo nekaj splošnonamembnih orodij. Prilagajanje strojne opreme posameznim nalogam pa je skupno možganom in nevromorfijskim čipom. Toda kako možgani to zmorejo sami? Če bi ta mehanizem lahko prevedli v silikon (metamorfiziranje), bi se lahko tako prilagajali tudi nevromorfološki čipi.

Izdelava možganskega živčnega omrežja – trilijona (1012) nevronov, povezanih s kvadrilijonom (1016) sinaps – je imel cilj. Čeprav človeška DNA vsebuje ustreznik milijarde bitov informacij, to ni dovolj za določitev, kje natančno naj bi bili razporejeni vsi ti nevroni in kako. Možgani se v najzgodnejšem obdobju prilagodijo na podlagi genske informacije, pozneje prek notranjih interakcij med nevroni in zunanjih interakcij s svetom zunaj telesa. Z drugimi besedami, zaznavni nevroni se povezujejo na podlagi čutilnih vhodnih informacij. Splošno pravilo, kateremu je podrejen ta proces, je zavajajoče preprosto: nevroni blizu drug drugega se povezujejo, kar pomeni, da od vseh signalov, ki jih nevron »začuti«, sprejme le signale tistih nevronov, ki so nepretrgoma dejavni, in se, ko je sam dejaven, ne odziva na druge.

Skorja je zemljevid

S kombinacijo čipov Visio 1 in Neurotope 1 je znanstvenikom uspelo doseči napredek. Tedaj se je pokazal izziv, kako izpopolniti sistem na podlagi zakonitosti, ki veljajo v naravi – delovanju možganske skorje, ki je odgovorna za spoznavanje.

Na tej opni se v otroštvu izriše zemljevid zunanjega sveta. Najbolj poznano je t. i. območje V1 (primarni vidni korteks), kjer vidna sporočila iz vidnega živca vstopajo v skorjo. Za odkritje V1 je bila v 60. letih dvajsetega stoletja podeljena Nobelova nagrada za medicino. Odkritje je spremljal tudi diagram povezav v vidnem korteksu. Vsaka njegova celica naj bi se povezovala z dvema skupinama celic, ki delujejo kot rele za signale iz mrežnice, namenjene v korteks. Ena skupina naj bi se odzivala na zaznavanje temnih območij, druga pa na zaznavanje svetlobe. Razporejenost teh celic je zelo natančna.

Potem, ko so znanstveniki iz silikona izdelali pet slojno mrežnico, si zdaj želijo enako tudi glede šestih plasti vidnega korteksa. Šesti sloj, pristojen za vhodne informacije, je že izdelan. Korteks je petkrat debelejši (3 mm) od mrežnice in za izdelavo vseh šestih njegovih slojev je potrebnih veliko več tranzistorjev na enoto.

Izdelovalci čipov lahko danes v kvadratni milimeter silikona natlačijo milijon tranzistorjev in 10 metrov žice. Konec tega desetletja se bo ta količina povečala za desetkrat, kar pa še zdaleč ne bo dosegalo korteksa, v katerem je v kubičnem milimetrov 100 milijonov sinaps in tri kilometre aksonov.

Znanstveniki bodo dosegli število enot v korteksu, a kako bo mogoče upravljati milijardo tranzistorjev na kvadratnem centimetru silikona. Za izdelavo teh nanotehnoloških čipov visoke gostote bi bilo potrebnih na tisoče inženirjev, če bi delali po standardnih metodah. Že zgolj s podvojitvijo števila genov pri muhah na število kot pri človeku bi evolucijskim silam omogočilo izdelati možgane z 10-milijonkrat več nevroni. Bolj izpopolnjen razvojni proces bi omogočil večjo kompleksnost po razmeroma preprostem receptu. Enako je morfizirnaje živčno-razvojnih procesov namesto morfiziranja živčnih tokokrogov velika možnost za obvladovanje kompleksnosti v nanoelektronskih sistemih prihodnosti.

 

Moje zdravje št. 32 / 20. februar 2007

ilustracija: Emil Vega