Inżynierowie Northwestern University wydrukowali sztuczne neurony zdolne do bezpośredniej komunikacji z żywymi komórkami mózgu myszy. Badanie, opublikowane 15 kwietnia 2026 r. w „Nature Nanotechnology", otwiera nową ścieżkę zarówno dla neuroprotez, jak i dla sprzętu obliczeniowego inspirowanego biologią mózgu.
Najważniejsze w skrócie
- Sztuczne neurony wydrukowano z atramentów zawierających nanopłatki disiarczku molibdenu (MoS₂) i grafen – materiały elastyczne i tanie w produkcji.
- Urządzenia wygenerowały sygnały elektryczne nieodróżnialne czasowo i kształtem od impulsów biologicznych, skutecznie pobudzając neurony Purkinjego w skrawkach móżdżku myszy.
- W przeciwieństwie do krzemowych chipów sztuczne neurony są heterogeniczne i trójwymiarowe – zbliżone strukturalnie do sieci neuronowej mózgu.
- Praca potwierdza potencjał druku strumieniem aerosolowym jako metody skalowalnej, niskokosztowej i mało odpadowej.
- Według autorów mózg jest o pięć rzędów wielkości efektywniejszy energetycznie od komputera cyfrowego.
Od krzemowego chipa do elastycznej memrystorowej sieci
Współczesne układy obliczeniowe budowane są z miliardów identycznych tranzystorów wtłoczonych w sztywne, dwuwymiarowe płytki krzemowe. Każdy tranzystor zachowuje się tak samo i – raz wyprodukowany – pozostaje niezmieniony. Mózg działa inaczej: składa się z rozległych sieci heterogenicznych neuronów rozmieszczonych trójwymiarowo, stale przebudowujących połączenia w trakcie uczenia się.
Jak wynika z oficjalnego komunikatu Northwestern University, zespół prof. Marka C. Hersama postanowił zbliżyć się do modelu biologicznego. Punkt wyjścia stanowiły elektroniczne atramenty sporządzone z nanopłatków disiarczku molibdenu (MoS₂) – półprzewodnika – oraz grafenu pełniącego rolę przewodnika. Metodą druku strumieniem aerosolowym nanosiny je na elastyczne podłoża polimerowe.
Kluczowy był tu nieoczekiwany zwrot technologiczny: poprzednie zespoły traktowały stabilizujący polimer w atramencie jako wadę zakłócającą przepływ prądu i wypalały go po wydrukowaniu. Hersam zamiast usunąć polimer, celowo go częściowo rozłożył. Gdy przez urządzenie przepływa prąd, dalszy rozkład polimeru tworzy wąski, przewodzący filament: cały prąd skupia się w jednym, ciasnym kanale. Wynikiem jest gwałtowny skok potencjału – impuls uderzająco podobny do sygnału nerwowego.
Wielorzędowa złożoność impulsów
Wydrukowane memrystory nie ograniczają się do prostego wzorca „ogień lub cisza". Jak podaje abstrakt publikacji w „Nature Nanotechnology" (DOI: 10.1038/s41565-026-02149-6), układy zbudowane z tych sieci nanopłatków realizują pierwszo-, drugo- i trzeciorzędową złożoność impulsową: zachowanie „scałkuj i wypal" (integrate-and-fire), opóźnienie impulsu, toniczną aktywność, wybuchowe serie (tonic bursting) i dynamikę fazową. Częstotliwość pracy jest strojona do 20 kHz, a stabilność potwierdzona przez ponad 10⁶ cykli.
Co istotne, wygenerowane przebiegi impulsów dopasowano do fizjologicznych przedziałów czasowych i skutecznie pobudzono nimi neurony Purkinjego w skrawkach móżdżku myszy – co według autorów jest dotychczas niezademonstrowanym poziomem biozgodności dla drukowanych urządzeń neuromorficznych.
Kontekst i porównanie z istniejącymi podejściami
Projekt wpisuje się w szerszy wyścig o sprzęt neuromoriczny zdolny zmniejszyć energetyczny koszt sztucznej inteligencji. Jak wskazuje Hersam w komunikacie Northwestern, mózg jest o pięć rzędów wielkości efektywniejszy energetycznie od komputera cyfrowego – i właśnie to skłania badaczy do szukania w nim inspiracji dla sprzętu kolejnej generacji.
Dotychczasowe prace w obszarze neuromorycznym koncentrowały się głównie na krzemowych chipach – NVIDIA inwestuje w akceleratory GPU, Intel rozwijał chip Loihi 2, IBM – układ NorthPole. Wszystkie te rozwiązania symulują aktywność neuronalną na tradycyjnym krzemie, nie replikując fizycznej struktury sieci neuronowej. Podejście Northwestern idzie w innym kierunku: sztuczne neurony budowane są z nanopłatków MoS₂ i grafenu osadzonych na elastycznych podłożach polimerowych, co pozwala uzyskać heterogeniczną, trójwymiarową topologię niemożliwą do osiągnięcia przez litografię krzemową.
Poprzednie próby tworzenia sztucznych neuronów z materiałów organicznych napotykały problem zbyt wolnych sygnałów. Z kolei neurony zbudowane z tlenków metali działały zbyt szybko. Hersam wskazuje, że jego zespół po raz pierwszy zademonstrował sztuczne neurony działające w przedziale czasowym właściwym dla aktywności biologicznej – i generujące impulsy o kształcie wystarczająco zbliżonym do naturalnego, by żywe komórki na nie reagowały.
Dwa kierunki zastosowań: neuroproteza i obliczenia neuromoriczne
Badacze wskazują dwa główne obszary potencjalnych zastosowań. Pierwszy to interfejsy mózg–maszyna i neuroproteza: urządzenia zdolne do bezpośredniej komunikacji z układem nerwowym mogłyby stanowić fundament implantów przywracających słuch, wzrok lub funkcje motoryczne. Drugi kierunek to obliczenia neuromoriczne: systemy naśladujące sposób, w jaki mózg przetwarza sygnały, mogą w teorii wykonywać złożone operacje przy ułamku mocy pobieranej przez dzisiejsze centra danych – ludzki układ nerwowy pobiera około 20 watów, tyle co kilka żarówek LED.
Dlaczego to ważne?
Wyniki Northwestern są istotne z kilku równoległych powodów. Po pierwsze, demonstracja biozgodności – sztuczne neurony faktycznie pobudziły żywe komórki nerwowe, nie tylko naśladowały ich zachowanie in silico – przesuwa horyzont biohybrydowych interfejsów z eksperymentu modelowego w kierunku potencjalnych urządzeń wbudowanych. To jakościowa różnica w stosunku do większości prac neuromorycznych, które zatrzymują się na poziomie symulacji.
Po drugie, metoda produkcji (druk strumieniem aerosolowym, elastyczne podłoża, niskotemperaturowe procesy) oznacza potencjalnie niski koszt i skalowalność – cechy niezbędne, by technologia mogła kiedykolwiek wyjść poza laboratorium. Tradycyjne metody litografii krzemowej wymagają skomplikowanej, drogiej infrastruktury clean-room.
Po trzecie, pięciorzędowe przewagi energetyczne mózgu nad komputerem cyfrowym nabierają nowego ciężaru w kontekście rosnącego apetytu energetycznego dużych modeli językowych i centrów danych AI. Jeśli architektura sprzętu obliczeniowego ma kiedyś zbliżyć się do efektywności neuronowej, fizykalny substrat musi przypominać mózg – nie krzem.
Równocześnie trzeba wyraźnie zaznaczyć: opisane wyniki dotyczą eksperymentu laboratoryjnego przeprowadzonego na skrawkach tkanki mysiej. Od demonstracji in vitro do działającego neuroprotezycznego implantu lub neuromoricznego komercyjnego chipa dzielą lata – jeśli nie dekady – dalszych badań nad skalowalnością, stabilnością biologiczną i integracją systemową.
Co dalej?
- Zespół Hersama planuje skalowanie sieci memrystorowych i badanie ich długoterminowej stabilności w warunkach zbliżonych do biologicznych.
- Kluczowym etapem będą testy in vivo – dotychczasowe wyniki ograniczają się do skrawków tkanki mysiej poza organizmem.
- Szerszym pytaniem pozostaje, czy drukowane sieci neuronowe dadzą się integrować z architekturami obliczeniowymi na tyle, by uzupełniać lub zastępować krzemowe akceleratory AI w zastosowaniach o wysokich wymaganiach energetycznych.
Źródła
- Northwestern University – Printed neurons communicate with living brain cells – https://news.northwestern.edu/stories/2026/4/printed-neurons-communicate-with-living-brain-cells
- Nature Nanotechnology (2026) – Hadke et al., Printed MoS₂ memristive nanosheet networks for spiking neurons with multi-order complexity – https://www.nature.com/articles/s41565-026-02149-6
- ScienceDaily – Artificial neurons successfully communicate with living brain cells – https://www.sciencedaily.com/releases/2026/04/260417225020.htm
- Neuroscience News – Printable Artificial Neurons That "Talk" to Living Brain Cells – https://neurosciencenews.com/printed-artificial-neurons-brain-communication-30529/
- PNAS – Can neuromorphic computing help reduce AI's high energy cost? – https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2528654122