Κύτταρα εγκεφάλου συνδέθηκαν ηλεκτρονικά με chips πυριτίου
Φτιάχθηκαν εν μέρει μηχανικά, εν μέρει ζωντανά κυκλώματα.

Από την σελίδα της Washington Post 28 Αυγούστου 2001

Οι επιστήμονες για πρώτη φορά έχουν συνδέσει πολλαπλά κύτταρα εγκεφάλου με τσιπ πυριτίου για να δημιουργήσουν εν μέρει μηχανικό και εν μέρει ζωντανό ηλεκτρονικό κύκλωμα. Για να κατασκευάσουν αυτό το μερικώς ζωντανό ηλεκτρονικό κύκλωμα, οι επιστήμονες Peter Fromherz και Gunther Zeck στο Ινστιτούτο Max Planck για τη βιοχημεία στο Μόναχο της Γερμανίας, κατόρθωσαν να επισυνάψουν πολλαπλούς νευρώνες σαλιγκαριών επάνω σε μικροσκοπικά τσιπς από τρανζίστορς και κατέδειξαν ότι τα κύτταρα επικοινώνησαν το ένα με το άλλο και με τα τσιπς.

Ανέτειλε λοιπόν μια καινούργια επιστήμη, η 'νευροηλεκτρονική', που συνδυάζει λοιπόν τα νευρικά κύτταρα και μικροτσίπς. Θα μπορούσε μιά μέρα να οδηγήσει στην 'νευρο-προσθετική' αντικαθιστώντας κατεστραμμένους νευρικούς ιστούς με εμφυτεύματα, και προχωρημένους υπολογιστές που θα μιμούνται τη ζωή, κυκλώματα που θα μαθαίνουν.   Επίσης οι επιστήμονες φιλοδοξούν να χρησιμοποιήσουν τέτοια μικροτσίπ για να δοκιμάζουν τοξικές ή φαρμακευτικές ουσίες σε νευρικά κύτταρα, ενώ θα μπορούσαν να αποτελέσουν και "γέφυρες" σύνδεσης κατεστραμμένων περιοχών στα νευρικά κύτταρα στη σπονδυλική στήλη.

Αυτή η πρόοδος είναι ένα σημαντικό βήμα προς έναν στόχο που είναι ακόμα περισσότερη επιστημονική φαντασία παρά επιστήμη: να αναπτύξει τεχνητούς αμφιβληστροειδείς ή προσθετικά άκρα που είναι επεκτάσεις του ανθρώπινου νευρικού συστήματος. Η ιδέα είναι να συνδυαστούν οι μηχανικές δυνατότητες των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων με την εξαιρετική πολυπλοκότητα και νοημοσύνη του ανθρώπινου εγκεφάλου.

Τέτοιοι συνδυασμοί βιολογίας και τεχνολογίας μπορούν όχι μόνο μια ημέρα να βοηθήσουν τους τυφλούς να δουν και τους παράλυτους να κινήσουν αντικείμενα με τις σκέψεις τους, αλλά και να βοηθήσουν να χτιστούν υπολογιστές που είναι τόσο εφευρετικοί και προσαρμόσιμοι όσο τα νευρικά συστήματά μας και η παραγωγή ρομπότ που αληθινά να αξίζουν να κληθούν ευφυείς.

Ο συνδυασμός νευρικών κυττάρων με την ηλεκτρονική έχει γίνει ένας θερμός νέος τομέας στην επιστήμη -- και είναι από καιρό μια βάση της επιστημονικής φαντασίας. Αλλά ότι στο "Star Treck" γινότανε με ένα κτύπημα του μολυβιού, έχει αποδειχθεί δυσκολώτερο να επιτευχθεί στη πραγματική ζωή.

"Το νευρικό σύστημα είναι αρκετά διαφορετικό από έναν υπολογιστή," λέει η Eve Marder, μια καθηγήτρια της νευρολογίας στο Πανεπιστήμιο Brandeis που μελετά πώς προσαρμόζεται στην αλλαγή ο εγκέφαλος. "Πολλές λειτουργίες που είναι φυσικά χωριστές σε έναν υπολογιστή πραγματοποιούνται από το ίδιο κομμάτι του ιστού στον εγκέφαλο και το νευρικό σύστημα."

Η μέγιστη πρόκληση ήταν στην δημιουργία σύνδεσης μεταξύ της βιολογίας και της τεχνολογίας. Τα νευρικά κύτταρα στον εγκέφαλο βρίσκουν το ένα το άλλο, ενισχύουν τις συνδέσεις και δημιουργούν τις μορφές μέσω της σύνθετης χημικής σηματοδότησης που οδηγείται εν μέρει από το περιβάλλον. Τεμαχίστε κατά μήκος μερικούς νευρώνες, παραδείγματος χάριν, και άλλοι θα ξεπηδήσουν από μέσα για να αντικαταστήσουν τη λειτουργία τους. Κανένας δεν καταλαβαίνει πώς ο εγκέφαλος μαθαίνει για να προσαρμόζεται στην αλλαγή, αλλά είναι μια διαδικασία που είναι τόσο περίπλοκη όπως και μπερδεμένη.

Τα τσιπ πυριτίου, αφ' ετέρου, μπορούν να εκτελέσουν συγκεκριμένες λειτουργίες με μεγάλη αξιοπιστία και ταχύτητα, αλλά έχουν περιορισμένη ανταπόκριση στο περιβάλλον και σχεδόν καμία δυνατότητα να αλλάξουν από μόνα τους σύμφωνα με τις ανάγκες του περιβάλλοντος.

"Τα πράγματα συνεχώς αλλάζουν... οι διαδικασίες αυξάνονται, υπάρχουν ουσίες, οι λεγόμενοι νευρορυθμιστές (neuromodulators),  που αλλάζουν τις ιδιότητες των  νευρικών κυττάρων και την δύναμη των συνδέσεων," είπε η Marder. "Αυτή είναι μια πρόκληση για να κάνουμε μια σύνδεση του πυριτίου με τον εγκέφαλο, όπου  οι κανόνες των υπολογισμών δεν είναι οι ίδιοι και στα δύο μέρη οι ίδιοι."

Το πείραμα των Γερμανών

Σύνδεση νευρικών κυττάρων από σαλιγκάρι πάνω σε chips, με τη βοήθεια κόλλας.

Οι Γερμανοί ερευνητές χρησιμοποποίησαν μικροσιφώνια για να μεταφέρουν μεμονωμένα κύτταρα από τον εγκέφαλο σαλιγκαριών και να τα τοποθετήσουν έπειτα επάνω στα τσιπ πυριτίου, που τα είχαν προηγουμένως επιστρώσει με ένα είδος κόλλας. Οι νευρώνες των σαλιγκαριών, σύμφωνα με το βιοφυσικό Peter Fromherz, είναι λίγο μεγαλύτεροι από τους ανθρώπινους ή τους νευρώνες των αρουραίων και ήταν επομένως ευκολότερο να δουλέψουν με αυτούς.

"Οι ερευνητές με αναρρόφηση παίρνουν τους νευρώνες από τα σαλιγκάρια και έπειτα τους φυσούν πάνω σε αυτή την ηλεκτρονική δομή," είπε η Astrid Prinz, μια μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο Brandeis, στην Massachusetts, η οποία συνηθίζει  να εργάζεται με τη γερμανική ομάδα. "Είναι ένα θέμα πρακτικής να μαθαίνεις να χειρίζεσαι τα μεμονωμένα κύτταρα. Τα έχετε σε ένα μικρό σιφώνιο με ρευστό. Τα φυσσάτε και μπορείτε να τα μανουβράρεται. στις θέσεις που θέλετε. Κάποιος μάλιστα στο εργαστήριο έκανε μια μικρή ταινία στο πώς να φυσάμε τα κύτταρα."

Κάθε κύτταρο τοποθετήθηκε πάνω από ένα FET (Field Effect τρανζίστορ), μια συσκευή που είναι σε θέση να ενισχύει τις μικροσκοπικές τάσεις, και που αποτελεί μια κατάλληλη διέγερση για να θέσει το κύτταρο σε δράση.

Η διαδικασία επαναλήφθηκε με περίπου 20 κύτταρα πάνω από πολλαπλάσια τρανζίστορς και διεγέρτες. Με τη χρησιμοποίηση πολυμερών ενώσεων, οι γερμανικοί επιστήμονες έχτισαν μικροσκοπικούς φράκτες γύρω από τους νευρώνες, για να τους κρατήσουν πάνω στα τρανζίστορς -- μια από τις μεγάλες δυσκολίες στην οικοδόμηση τέτοιων κυκλωμάτων είναι ότι τα νευρωνικά κύτταρα τείνουν να διασκορπιστούν, όπως κάνουν και στον εγκέφαλο.

Οι νευρώνες πάνω σε αυτήν την βάση του πυριτίου ανέπτυξαν μια σύνδεση μεταξύ τους που είναι γνωστή ως σύναψη. Όταν οι ερευνητές διέγειραν έναν νευρώνα, αυτός απελευθέρωσε ένα ηλεκτρικό σήμα. Εκείνο το σήμα ανιχνεύθηκε από το τρανζίστορ, πάνω στον οποίο καθόταν ο νευρώνας, όπως επίσης και από το τρανζίστορ κάτω από έναν δεύτερο νευρώνα -- δείχνοντας ότι το ηλεκτρικό σήμα είχε περάσει από το τσιπ του πρώτου νευρώνα, μέσω μιας σύναψης από τον πρώτο στον δεύτερο νευρώνα και έπειτα είχε μετατραπεί πάλι σε ηλεκτρικό σήμα που το ανίχνευσε το δεύτερο τρανζίστορ.

"Είναι πολύ πρωτόγονο, αλλά είναι η πρώτη φορά που ένα νευρωνικό δίκτυο διασυνδέθηκε άμεσα με ένα τσιπ πυριτίου," είπε  ο Peter Fromherz, ο οποίος δημοσίευσε τα αποτελέσματα στη σημερινή έκδοση πρακτικών της Εθνικής Ακαδημίας των Επιστημών στις ΗΠΑ. "Αυτό είναι μια απόδειξη ενός θεμελιώδους πειράματος."

Η ομάδα, είπε ο Peter Fromherz, εργέζεται ήδη στη σύνδεση μεγαλύτερων αριθμών νευρώνων με περισσότερα τρανζίστορς. Η πραγματική πρόκληση, είπε, βρίσκεται στην ανακάλυψη πως η σύναψη των νευρώνων σχετίζεται με τo τρανζίστορ, και στην ανάπτυξη τεχνικών με τις οποίες θα μπορούσαν   να κατασκευάσουν αξιόπιστα μεγαλύτερα κυκλώματα.

Ο Fromherz είπε ότι τα σχέδια είναι εν εξελίξει για να χτίσουν ένα σύστημα με 15.000 περιοχές νευρώνων-τρανζίστορς.

Όταν ο αριθμός θα γίνει αρκετά μεγάλος, οι ερευνητές ελπίζουν πως θα αρχίσουν να βλέπουν τις πρώτες αμυδρές ενδείξεις αυτού που συμβαίνει πραγματικά στον εγκέφαλο:
Νευρώνες που διαμορφώνουν σύνθετες συνδέσεις και που μετατρέπουν την ηλεκτρική δραστηριότητα σε υπολογισμούς, σκέψεις και ίσως την ίδια τη συνείδηση.