24 დეკემბერი 2019 - 16:47

ინჟინრებმა „პირველი ხელოვნური ნეირონი“ შექმნეს. მართლაც დაეხმარება ეს ალცჰაიმერის და პარკინსონის მკურნალობას?

ხელოვნური ნეირონი

ფოტო: University of Bath

ბატას უნივერსიტეტის ინჟინრებმა „ხელოვნური ნეირონის“ შექმნის შესახებ განაცხადეს. მეცნიერთა ამ ჯგუფის მტკიცებით, ეს არის ელექტრონული მოწყობილობა, რომლის მეშვეობითაც პირველად გახდება შესაძლებელი ადამიანის ნერვული უჯრედების ქმედების მოდელირება.

რატომ არის ეს მნიშვნელოვანი?

ამ ეტაპზე მხოლოდ უჯრედების ერთ ტიპზეა საუბარი. ისინი ადამიანის თავის ტვინში გვხვდება, სუნთქვისა და გულისცემის რეგულაციის პროცესში მონაწილეობს. თუმცა მკვლევართა მიერ შემუშავებული მეთოდიკა უკვე შესაძლებელს ხდის, ფაქტობრივად, ნებისმიერი ნეირონის სილიკონის ანალოგი შეიქმნას. ეს ეხება როგორც ცენტრალურ, ისე პერიფერიულ ნერვულ სისტემას.

სხვადასხვა მედიასაშუალებამ უკვე დაიწყო საუბარი ხელოვნური ნეირონის მეშვეობით ისეთი დაავადებების მკურნალობის ალბათობაზე, როგორიც არის ალცჰაიმერი, პარკინსონი და სხვები (მათ ცოცხალი ნეირონების კვდომა ახასიათებთ). მეცნიერები ამაზე საუბარს ნაადრევად მიიჩნევენ, თუმცა იმაზე ნამდვილად თანხმდებიან, რომ ეს მოწყობილობა შეიძლება გამოდგეს როგორც ინტერფეისი ტვინსა და კომპიუტერს შორის ან/და ორგანიზმის საბაზისო ფუნქციის ერთგვარი „პროთეზის“ როლის შესასრულებლად.

რას ნიშნავს ხელოვნური ნეირონი? 

ხელოვნურ ნეირონზე საუბრისას, სხვადასხვა მეცნიერი შეიძლება განსხვავებულ რამეს გულისხმობდეს. მაგალითად, როდესაც მათემატიკოსები და პროგრამისტები ნეიროქსელებს ახსენებენ, ისინი მონაცემების დამუშავების არქიტექტურაში კონკრეტულ ობიექტებს გულისხმობენ. ეს ნეირონი ნამდვილს მხოლოდ იმით ჰგავს, რომ სხვა მსგავს ობიექტებს უკავშირდება ქსელით, რომელშიც ინფორმაცია მიედინება. 

ინჟინრები, შესაძლოა, ხელოვნურ ნეირონში სულ სხვა რამესაც გულისხმობდნენ, მაგალითად, მემრისტორების ქსელს. ეს არის მოწყობილობა, რომელსაც მონაცემების დამუშავებისთვის იყენებენ. თუმცა ის თავის ბიოლოგიურ, გადანაწილებულ არქიტექტურას რეალიზაციას ფიზიკური ფორმით უკეთებს. ეს იმას ნიშნავს, რომ პროცესი პირდაპირ მიკროსქემაზე მიმდინარეობს. ამით ისინი მკვეთრად განსხვავდებიან იმ „ნეიროქსელებისგან“, რომლებიც გამოსახულებას ამუშავებენ და კომპიუტერის სოფტის სახით არსებობენ. ამ უკანასკნელს სრულად კლასიკური, არანეირომორფული არქიტექტურა აქვს.

იმ ხელოვნურ ნეირონებს კი, რომლებზეც ბატას უნივერსიტეტის მეცნიერები საუბრობენ, კიდევ უფრო უჩვეულო ფორმა აქვთ და თავიანთ ბიოლოგიურ პროტოტიპთანაც მეტად არიან მიახლოებული. ისინი ციფრულ გამოთვლებს არ ასრულებენ და უფრო მეტიც, ამაზე საერთოდ არ არის გათვლილი. ამ ნეირონების მთავარი ფუნქციაა, მიკროსქემაზე ნამდვილი და ცოცხალი უჯრედების ელექტრული აქტიურობა ასახოს - როგორი იქნებოდა ეს პროცესი, მოწყობილობის ნაცვლად თავად ნეირონი რომ ყოფილიყო და რა მოხდებოდა, როცა მას სხვა ცოცხალი უჯრედები რომ მიახლოვებოდნენ. ასეთ მიკროსქემას შეგვიძლია ანალოგური სიმულატორი ვუწოდოთ - მის მუშაობას გამოთვლასთან არანაირი კავშირი არ აქვს და ციფრულ სიგნალსაც საერთოდ არ იყენებს. ამ კონტექსტში ის რადიოს უფრო ჰგავს, ვიდრე თანამედროვე კომპიუტერს.

შეუძლია თუ არა ამ მოწყობილობას მომაკვდავი ნეირონების შეცვლა?

ამ კითხვაზე ზუსტი პასუხი ჯერ არ არსებობს. თუმცა დაახლოებით რომ შეგვექმნას წარმოდგენა, რა სახის ჩანაცვლებაზეა საუბარი, საკმარისია გავიხსენოთ უკვე არსებული ბიოსამედიცინო მოწყობილებების იმპლანტაციის რამდენიმე ვარიანტი. 

პირველ რიგში, ეს არის ელექტროკარდიოსტიმულატორები, რომლებსაც არითმიის მქონე ადამიანები იყენებენ. საინჟინრო კუთხით, ისინი ნებისმიერ სხვა ხელოვნურ ნეირონთან შედარებით, გაცილებით პრიმიტიულია, ამასთან - დიდი მოცულობის მქონე და მოუხერხებელი. მეორე მხრივ, არსებობს კოხლეარული იმპლანტი, რომელსაც შიდა ყურში განათავსებენ, რათა სმენის ნერვთან უშუალო კონტაქტი დამყარდეს. მესამეა ზურგის ტვინის ახალი ელექტრონული სტიმულატორი. მსგავსი მოწყობილობა გამოიყენეს, როდესაც ხერხემლის ტრავმის მქონე ადამიანისთვის სიარულის უნარის აღდგენაზე მუშაობდნენ. 

ყველა ზემოთ ჩამოთვლილ შემთხვევაში იმპლანტაციისთვის საჭირო მოწყობილობასა და ნერვულ სისტემას შორის კონტაქტი პრიმიტიულია. ამა თუ იმ ადამიანის ორგანიზმის ქსოვილის დიდი უბნების ელექტრული სტიმულაცია რამდენიმე ათას უჯრედს მოიცავს. ხელოვნური ნეირონების შექმნასა და ნერვულ სისტემასთან მათ დაკავშირებას კი შეუძლია ეს მოწყობილობები უფრო „ჭკვიანი“ გახადოს და მათი ელექტრომოხმარებაც რადიკალურად შეამციროს.

იმისათვის რომ გარკვეული წარმოდგენა შეგვექმნას, როგორ შეიძლება ეს ყველაფერი უახლოეს მომავალში გამოიყურებოდეს, უნდა გავეცნოთ ბოლოდროინდელ ექსპერიმენტს ვირთხებზე. სწორედ ამ დროს, სპეციალური ელექტრონული სქემის მეშვეობით, ცხოველის სუნთქვის რეგულაციის სისტემისა და გულისცემის ურთიერთქმედების დადგენა გახდა შესაძლებელი. მეცნიერებმა ამ მნიშვნელოვანი პროცესის საკმაოდ ზუსტი წარმოდგენა შეძლეს. თუმცა ასეთი სიგნალის დასამუშავებლად საჭირო გახდა დიდი მოცულობის მოწყობილობა, რომელსაც ჭარბი ოდენობის ენერგია სჭირდებოდა და ამასთან, იმპლანტად ვერ გამოდგებოდა. ბატას უნივერსიტეტში მიღებული ხელოვნური ნეირონი ამ კუთხით ძალიან დიდი წინგადადგმული ნაბიჯია.

რატომ არის ეს ძალიან წინგადადგმული ნაბიჯი?

იმიტომ, რომ ნეირონი საკმაოდ რთული აგებულების არის. ამიტომ მის ასამუშავებლად საჭიროა, მოლეკულის დონემდე დასვლა. ხელოვნური ნერვული უჯრედის შექმნისას ძირითადი სირთულეა ნერვული იმპულსის სპეციფიკური ხასიათი. ცოცხალმა ნეირონმა ხელოვნურისგან სიგნალი რომ მიიღოს, ის მკაცრად განსაზღვრული უნდა იყოს. თუ ეს ასე არ არის, სხვა იმპულსებზე უბრალოდ სწორად რეაგირებას ვერ შეძლებს. იგივე ეხება იმპულსის უკუმიმართულებით გადაცემასაც. ის ზუსტად ისეთი იქნება, როგორსაც ნერვული უჯრედის მემბრანა გადასცემს და ხელოვნურ ნეირონს მისი სწორად გადამუშავება მოუწევს. 

ამიტომ ზუსტად უნდა იყოს განსაზღვრული საიდან და საითკენ უნდა გადაიცეს სიგნალი. ასევე სრულად იქნეს წარმოდგენილი ამ პროცესის მთელი დინამიკა, რათა ნამდვილ და ხელოვნურ ნეირონს შორის სიგნალი შეუფერხებლად გადაიცეს, უჯრედებმა ერთმანეთს გაუგონ და ადეკვატური რეაქცია ჰქონდეთ.

რაში მდგომარეობს ნერვული იმპულსის თავისებურება?

როგორც ჩვეულებრივ ელექტრულ ჯაჭვში, იმპულსი იმ დროს წარმოიქმნება, თუ ელექტროძაბვა საჭირო ადგილზე მოხვდება. ნერვულ უჯრედში ეს იმას გამოიწვევს, რომ მემბრანის გარე და შიდა მხარეებს შორის პოტენციალის სხვაობა შეიცვლება. 

გაუღიზიანებელ უჯრედში, რომელიც არანაირ სიგნალს არ გადასცემს, მემბრანის შიდა და გარე მხარეებს შორის განსხვავება უარყოფითი იქნება (დაახლოებით 70 მილივოლტი). გაღიზიანების შემთხვევაში ის თავდაპირველად იზრდება და დადებითი ხდება (30 მილივოლტამდე), რის შემდეგაც ისევ უარყოფით დონემდე ეშვება, საწყის ეტაპზე დაბლა (90 მილივოლტამდე), საბოლოოდ კი პირვანდელ მდგომარეობას უბრუნდება. მთელი ეს პროცესი სხვადასხვა ორგანიზმში რამდენიმე მილიწამიდან რამდენიმე წამამდე გრძელდება. ის იონური არხებისთვის ნატრიუმსა და კალიუმს სრულად უზრუნველყოფს. იმპულსის გადაცემის შემდეგ იონური არხები მემბრანაზე რაღაც დროით არააქტიურია, უჯრედი კი მუშაობას წყვეტს, რადგან მომდევნო სიგნალის გადასაცემად ემზადება.

ასეთი რთული მიზეზშედეგობრივი ცვლილების მოდელირება ხელოვნურ ელექტრულ სისტემაში არც ისე ადვილია. ყველაზე ზუსტი და ბუნებრივი მეთოდი ამისთვის არის „ანალოგური“ მოდელი, რომელიც თითქმის იმავე ფუნდამენტური წესებით მუშაობს, როგორც ცოცხალი ორგანიზმის ნერვული უჯრედი. 

ნერვული უჯრედის მემბრანაზე იონური არხების სისტემის წარმომქმნელი ელექტრული ჯაჭვის სქემა პირველად გასული საუკუნის შუა ხანებში შემუშავდა. მეცნიერებმა მაშინ მემბრანა წარმოადგინეს როგორც ელექტრული ჯაჭვი, რომელიც 4 პარალელური ელემენტისგან შედგება. პირველი კონდენსატორის ფუნქციას ასრულებს და თავად მემბრანას უკეთებს მოდელირებას, სხვები კი სამი დამოუკიდებელი იონური არხის მოდელს წარმოადგენენ. მათგან ერთი არხი არის კალიუმის იონებისთვის, მეორე - ნატრიუმის იონებისთვის და მესამე - სხვა დანარჩენი იონებისთვის (პირველ რიგში, ქლორის). მეცნიერებმა დააფიქსირეს, როდის არის ეს არხები იონების ნაკადისთვის ღია და როდის - დახურული. სწორედ ამ მოდელმა, რომელმაც იონური არხების მუშაობა უფრო თვალსაჩინო გახადა, დროისა და მემბრანაზე დაძაბულობის ურთიერთკავშირი ძალიან ზუსტად აღწერა.

რა უპირატესობა აქვს ახალ ნეირონს?

ზემოთ ხსენებულმა მოდელმა თეორიულადაც და ექსპერიმენტებშიც კარგად იმუშავა, მაგრამ მისი გამოყენება ნეიროიმპლანტანტების ამპლუაში შეუძლებელი იყო. ამ შემთხვევაში კი მეცნიერებმა ალენ ნოგარის (Alain Nogaret) ხელმძღვანელობით, მოიფიქრეს ელექტრული ჯაჭვის სქემა, რომელსაც შეუძლია, ნერვული უჯრედის სრული ანალოგი იყოს და გარე სტიმულატორებზე ზუსტი რეაქცია ჰქონდეს. ამ სქემის ტრანზისტორი დიდი მოცულობის სამუშაოებს არ მოითხოვს, მოდელირებული იონური არხების გამტარობა კი ნამდვილი ნერვული უჯრედის მემბრანის რეაქციას ავითარებს.

ჯერჯერობით ასეთი ხელოვნური ნეირონი სილიკონის ჩიპზე არსებულ მიკროსქემას წარმოადგენს. სამაგიეროდ მან გამოსადეგობის მხრივ სერიოზული 3-ეტაპიანი შემოწმება უკვე გაიარა. პირველი ორი ეტაპი უფრო მეთოდოლოგიურ ხასიათს ატარებდა. თავდაპირველად ავტორებმა შეამოწმეს, მიკროსქემა ახალ თეორიულ მოდელსა და ჰოჯკინ-ჰაქსლის კლასიკურ მოდელს რამდენად შეესაბამება. აღმოჩნდა, რომ ხელოვნური ნეირონის მუშაობის სიზუსტემ 3-არხიანი სისტემისთვის 96%-ი შეადგინა. 

შემოწმების მესამე ეტაპი კი ნამდვილი ნეირონების მოდელირებას მოიცავდა. აქ იგულისხმება ვირთხის სასუნთქი სისტემის ნეირონებისა და ჰიპოკამპის პირამიდული უჯრედები. ამისთვის მეცნიერებმა კარგად შეისწავლეს იონური არხები - მათი ტიპები, ხარისხი, ურთიერთქმედება და სივრცეში განლაგება. აღმოჩნდა, რომ ორივე ტიპის უჯრედისთვის შესაძლებელია ზუსტი ხელოვნური ანალოგის გაკეთება, თუ საამისოდ მოდელირებული იონური არხების ექვსივე ტიპს კარგად შესწავლიან და მათი მუშაობის წესები სწორად შედგება. იმპულსების სწორად წარმოქმნის სიზუსტემ 94-დან 97%-ი შეადგინა. 

სიზუსტის ასეთი მაჩვენებელი საკმაოდ შთამბეჭდავია და გვაფიქრებინებს, რომ ბიოელექტრონული მედიცინის ეპოქა გარდაუვალია. თუმცა ზოგიერთი მნიშვნელოვანი პრობლების გადაწყვეტა მეცნიერებს ჯერ კიდევ მოუწევთ.

პირველ რიგში, იმპლანტაციის საკითხი ისევ ღიად რჩება: ჯერჯერობით ასეთი ნეირონი მხოლოდ ჩიპზე არსებობს. რამდენად რთული იქნება მისი ორგანიზმში გადატანა - უცნობია. მეორე მხრივ, აუცილებლად წარმოიქმნება ხელოვნური სინაფსის შექმნის პრობლემა. ეს არის რამდენიმე ელემენტის ნაერთი. სწორედ მათ ხარჯზე ელექტრული იმპულსი ხელოვნური უჯრედიდან ცოცხალს უნდა გადაეცეს და სიგნალი ნეირონების ჯაჭვს საჭირო მიმართულებით სწორედ ასე გაივლის.

მეცნიერები უკვე დიდი ხანია ამ საკითხზე მუშაობენ, მაგრამ პირველი სრულფასოვანი ხელოვნური ნეირონის შექმნა, კვლევებსა და მათ შედეგებს აუცილებლად დააჩქარებს.

სხვა თემები