Neuvěřitelný člověkostroj

Inteligentní zařízení a high-tech materiály budou jednoho dne schopny nahradit každou část lidského těla. Co ale dokáže lékařský biotechnologický výzkum už dnes?
   MANUEL KÖPPL  

SENZOR V MOZKU: Mentální schopnosti

To, co donedávna znělo jako science fiction, je dnes již realitou: díky mozkovému stimulátoru a robotické paži se dokáže Američanka Cathy Hutchinsonová (viz snímek napravo), která je od krku dolů ochrnutá, bez cizí pomoci napít z láhve. Díky nově vyvinutému mozkovému přístroji BrainGate2 si tak po téměř patnácti letech mohla poprvé sama podat nějaký předmět.
V roce 1997 postihla Hutchinsonovou mozková mrtvice a od té doby je paralyzovaná a nedokáže mluvit. S okolím od té doby komunikuje pouze pomocí pohybu očí a trpí tak tzv. syndromem uzamčení. Nedokáže se hýbat ani verbálně komunikovat, přitom je ale plně při vědomí, přemýšlí, vnímá své okolí a její mozek pracuje jako u zdravého člověka. Před nedávnem začala jevit znánky zlepšení a občas dokáže drobně pohnout hlavou.
V roce 2005 vědci implantovali do její mozkové kůry speciální senzor, který má podobu stimulátoru o rozměrech 4 x 4 mm (viz obrázek vpravo) a obsahuje 96 kapilárních elektrod, ovládaných elektrickou aktivitou v sousedních nervových buňkách. BrainGate2 lékaři umístili do center, v nichž jsou nejčastěji vyvolávány impulzy pro záměrný pohyb paže. Nejdéle na vývoji tohoto přístroje vědcům trvalo přiřazení správného vzorce pohybů k nervovým signálům.

ROBOT OVLÁDANÝ MYŠLENKOU
Výzkumný tým z Brownovy univerzity v americkém městě Providence provádí testy s ovládáním robotické paže prostřednictvím senzorů a stimulátorů umístěných v mozku. Toto rozhraní by mohlo být uvedeno na trh během deseti let.

Foto popis|  Ochrnutá 58letá Cathy Hutchinsonová ovládá robotickou paži, která drží láhev s nápojem, pouze pomocí myšlenek. Impulzy z jejího mozku se přenáší do robotické paže prostřednictvím senzoru a minipočítače připojeného k její hlavě.

BIONICKÉ OKO: Nový pohled

Australští vědci z centra Bionic Vision pracují již dlouhá léta na vývoji bionického oka, které má navrátit zrak pacientům s poškozenou sítnicí. Nejnovější verze Bionic Eye 2 (viz obrázek napravo) se skládá z několika součástek: z kamery umístěné v brýlovém rámečku, z externího procesoru a z diamantového mikročipu implantovaného do poškozeného oka.
Obraz zaznamenaný kamerou se rádiovými vlnami přenáší do externího procesoru. Odborníci ale tvrdí, že výkon tohoto externího procesoru může být snadno nahrazen výpočetní silou běžného smartphonu. Po zpracování obrazu v procesoru jsou data bezdrátově přenášena do mikročipu umístěného v poškozeném oku. Tento čip je usazen ve vnější vrstvě cévnatky a převádí data do elektrických impulzů. Informace jsou dále přenášeny do mozku pomocí buněk sítnice.
Bionické oko určené pro pacienty s dalekozrakostí obsahuje 98 elektrod stimulujících nervy sítnice. Zatím nejdetailnější verzí je model s vysokým rozlišením 1 024 elektrod, který už stačí k rozpoznávání detailních předmětů, ale pouze s omezeným úhlem pohledu. Vývojáři plánují v dohledné době vyrobit novou verzi bionického oka pro krátkozraké i dalekozraké pacienty.

OBRAZ PROMÍTANÝ ČIPEM
Bionic Eye 2 přenáší obraz z kamery v brýlích do externího procesoru, který jej zpracuje a odešle do mikročipu. Ten jej pomocí impulzů předá optickým nervům na sítnici.

Foto popis|  Mikročip umístěný na cévnatce posílá digitalizovaný obraz v podobě elektrických impulzů do nervů umístěných na sítnici. Vědci se však zatím nedokázali ani přiblížit přirozené kvalitě obrazu oka.

UMĚLÝ NOS: Excelentní čich

Zájemci o vylepšený čichový orgán se pravděpodobně budou muset spolehnout na žabí vajíčka. Z buněk těchto vajíček vyvinuli japonští vědci umělý nos, který má prý rozpoznávat vůně lépe než jakákoliv stávající náhražka umělého čichu. Model pro tento biosenzor byl však odpozorován z hmyzí říše.
Vědci z Tokijské univerzity použili buňky vajíček afrických žab drápatek a implantovali do nich genetický materiál bource morušového, zápředníčka polního a octomilky. Zjednodušeně řečeno, vědci použili tu část DNA, která u hmyzu ovládá čichové smysly. Vaječné buňky pak vytvořily stejné čichové receptory, jaké používá hmyz. Tyto geneticky upravené buňky jsou uloženy v kapsli s vodivou tekutinou, která je připojena k elektrodám (viz obrázek vpravo). Jakmile se molekuly setkají s těmito receptory, zareagují elektrickým impulzem, který je vytvořen elektrodami.
V rámci testu byl takovýto „umělý nos“ instalován do robota. Jakmile biosenzor rozpozná chemický mediátor tohoto hmyzu, robot zareaguje pokývnutím hlavy. Vědci předpokládají, že společná schopnost čichu by mohla jednoho dne přinést revoluci ve vztahu lidí a robotů.

ČICH JAKO HMYZ
Jak dlouho bude trvat, než nás roboti překonají kvalitou čichu? Japonští vědci vyvinuji umělý nos na bázi žabích vajíček a DNA hmyzu, který je mnohem citlivější než všechny předchozí systémy.

Foto popis|  Jakmile robot ucítí testovanou vůni (tento okamžik je patrný z amplitudy na displeji notebooku), robot pokývá hlavou. Princip je jednoduchý: hmyzí receptory uzavřené v kapslích s tekutinou vysílají elektrické impulzy do elektrod.

NÁHRADNÍ SLINIVKA: Přesná pumpa

Podle Světové zdravotnické organizace trpí na celém světě cukrovkou typu 1 okolo 346 milionů lidí. U tohoto typu cukrovky přestává tělo kompletně produkovat inzulin a léčba tohoto typu nemoci je náročná a doživotní. Odborníci v současnosti vyvíjejí umělou slinivku, která dokáže automaticky kontrolovat hladinu cukru v krvi pacientů trpících cukrovkou. Vývoj probíhá v mezinárodní spolupráci několika amerických, francouzských a italských univerzit.
Systém umělé slinivky se skládá ze tří částí. Základem je běžná inzulinová pumpa a senzor zkoumající hladinu glukózy v krvi. Tyto dvě části jsou zavedeny do těla pacienta, zatímco třetí představuje obyčejný smartphone, který představuje mozek celého systému. Pomocí senzoru glukózy sleduje hladinu cukru v krvi a v okamžiku, kdy je to nutné, bezdrátově vydá příkaz inzulinové pumpě, aby dodala do organismu přesnou potřebnou dávku tohoto proteinového hormonu.
Prvním pacientem, který umělou slinivku vyzkoušel, je čtyřicetiletý Justin Wood. Pochvaloval si, že tento systém za něj dělá řadu činností, které doposud musel dělat sám, a že díky automatickému přísunu inzulinu má menší problémy s příjmem potravy. Umělá slinivka by se měla dostat do fáze testování na pacientech již příští rok.

SMARTPHONE HLÍDÁ INZULIN
Mozkem systému automatické slinivky je běžný smartphone, který ve spolupráci s automatickou inzulinovou pumpou a senzorem neustále sleduje hladinu cukru v krvi pacientů s cukrovkou.

Foto popis|  Smartphone je vybaven speciální aplikací, která prostřednictvím speciálního algoritmu ovládá automatickou inzulinovou pumpu. Ta na příkaz ze smartphonu vstříkne do těla pacienta přesně odměřené množství inzulinu.

INTELIGENTNÍ PROTÉZA: Skvělý pocit

Před nedávnem představili vědci z univerzity v jižní Kalifornii nový robotický prst „BioTac“, vybavený řadou senzorů. Nejúžasnější vlastností prstu BioTac je fakt, že dokáže na dotyk rozpoznávat textury, a to dokonce přesněji než běžné lidské prsty. Jeho výsledky dokazuje i videozáznam testu, při němž BioTac zkoumal 117 různých povrchů, z nichž rozpoznal 111, tedy 95 %.
BioTac v podstatě pracuje na stejném principu jako lidský prst a stejně jako on je potažen měkkou pórovitou kůží. Uvnitř je naplněn tekutinou a vybaven speciálním podvodním mikrofonem. Jakmile se robotický prst dotkne nějakého povrchu, jeho umělá kůže začne vibrovat a tyto vibrace jsou zaznamenávány hydrofonem. BioTac následně porovná zachycené hodnoty vibrací, srovná je s tabulkou známých povrchů a určí, jakého povrchu se prst dotýká. Kromě hydrofonu je BioTac vybaven i senzory, které mu umožní určit směr působeného tlaku i teplotu předmětu, kterého se dotýká.
V současnosti se vynálezci snaží robotický prst uvést na trh ve spolupráci se start-up firmou SynTouch. BioTac má dobrou šanci, že se bude v dohledné době využívat jako protetické zařízení pro lidské uživatele a v budoucnu i jako součást průmyslových robotů.

UMĚLÝ PRST SE SENZORY
Robotický prst BioTac, vyvinutý americkými vědci, obsahuje řadu senzorů, které mu umožňují rozpoznat strukturu a teplotu předmětu, kterého se dotýká, stejně jako tlak, který působí na jeho povrch.

Foto popis|  Prsty BioTac obsahují kapalinu, kterou se šíří vibrace způsobené dotykem prstu na určitý povrch, a tyto vibrace zaznamenává kapalinový mikrofon (hydrofon). Díky citlivým senzorům dokáže umělý prst připevněný k robotické ruce cítit i tlak a tepotu povrchu.

UMĚLÉ ORGÁNY: Lze je vytisknout

Na první pohled se může zdát, že vědci z Pensylvánské univerzity a Massachusettského technologického institutu (MIT) pracují na nemožném úkolu: chtějí totiž vyrábět orgány prostřednictvím tiskárny. Pravda je ale taková, že se jim již podařilo vytvořit model cévy, pomocí něhož jednou dokáže 3D tiskárna vyrobit celá játra. Při jejich výrobě bude hrát důležitou roli cukr.
Výše zmínění výzkumníci nejsou prvním týmem, který začal experimentovat s výrobou buněk a cév pomocí 3D tiskáren. Během tohoto procesu se z umělých buněk vytváří, vrstvu po vrstvě, struktura tkáně. Problém ale spočívá v tom, že syntetické buňky často zemřou ještě dříve, než je vytvořena celá tkáň, a zde by právě mohl pomoci cukr.
Z výzkumu institutu Massachusetts Institute of Technology vyplývá, že cukr může při tvorbě tkání posloužit podobně, jako se používá vosk při výrobě forem různých nádob. Šablona se při výrobě tkáně obklopí umělými buňkami a po dokončení tvorby tkáně stačí šablonu odstranit. Teoreticky lze tímto způsobem vyrobit pomocí 3D tiskárny jakoukoliv formu a poté ji obalit jinou tkání. Výzkumníci používají vylepšenou verzi opensourcové 3D tiskárny RepRap. Na tiskárně RepRap pracuje otevřená komunita na celém světě.

ORGÁNY VYTIŠTĚNÉ NA 3D TISKÁRNĚ
Vědci z MIT se momentálně snaží vyrobit celý orgán složený z cév vytištěných pomocí 3D tiskárny. Cévy se vytváří okolo šablony z cukru.

Foto popis|  Výzkumníci používají vylepšenou verzi opensourcové 3D tiskárny RepRap, pomocí níž vyrábějí umělé cévy (viz obrázek výše). Vytištěný 3D model cévy (nalevo) pak poslouží jako základní stavební kámen pro tvorbu celých orgánů.