Et elektronisk kredsløb der taler hjernens sprog
Forskere fra University of Massachusetts har udviklet et elektronisk kredsløb, der ikke blot efterligner hjernens signaler, men faktisk fungerer i et fugtigt miljø svarende til det, rigtige neuroner arbejder i.
Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications og kan fuldstændig ændre tilgangen til behandling af neurologiske sygdomme samt til design af hjerneinspireret elektronik. Holdet fra Massachusetts har for første gang opnået ægte tovejskommunikation mellem en kunstig og en biologisk neuron.
Sådan fungerer hjernens netværk
Hjernen udgør et tæt netværk af forbindelser. Ifølge data fra Institut for Hjerneforskning består den af cirka 100 milliarder neuroner — nervceller specialiseret i at overføre information. Hver celle er opbygget af tre hoveddele: cellelegemet, dendritterne og axonen.
Dendritterne opsamler signaler fra andre celler. Cellelegemet bearbejder dem, og axonen fungerer som et kabel, hvorigennem den elektriske impuls sendes videre til andre neuroner. På et splitsekund passerer millioner af sådanne impulser gennem hjernen — de styrer bevægelse, følelser og hukommelse. Men systemet er ekstremt skrøbeligt og sårbart over for skader.
Hvorfor det er et stort problem, når neuroner dør
Problemerne opstår i det øjeblik, neuroner holder op med at fungere eller dør. Skader på nervenetværket kan føre til et bredt spektrum af helbredskomplikationer, der dramatisk forringer patienters livskvalitet.
I modsætning til mange andre celletyper fornyer neuroner sig ikke let. Én gang tabt forsvinder de som regel for altid. Derfor har neurologi og biomedicinsk ingeniørvidenskab i årevis søgt metoder til at beskytte eller erstatte dem.
Skader på nervenetværket kan forårsage:
- bevægelsesforstyrrelser, for eksempel Parkinsons sygdom
- forstyrrelser i sansning og virkelighedsopfattelse
- alvorlige hukommelsesproblemer, som ved Alzheimers sygdom
- nedsat kognitiv funktion og beslutningsevne
- tab af kontrol over muskelbevægelser
- tale- og kommunikationsvanskeligheder
- personlighedsændringer og følelsesmæssige forandringer
Teknologi, der kan efterligne en neurons arbejde så troværdigt, at hjernen “opfatter” det som sit eget, er af særlig betydning. Hidtidige forsøg er dog stødt på manglende evne til at fungere i et biologisk miljø eller på elektriske signaler, der var alt for kraftige til hjernens fine kemi.
Hvad neuromorfe integration betyder i praksis
Den nye kunstige neuron fra Massachusetts passer ind i en bredere tendens kaldet neuromorf integration. Det handler om at designe elektronik, der så trofast som muligt kopierer neuronernes og synapsernes struktur og adfærd.
I stedet for klassisk, lineær databehandling som i traditionelle processorer forsøger neuromorf elektronik at fungere mere som en hjerne: parallelt, energieffektivt og ved hjælp af korte impulser. I laboratorier udvikles derfor specialiserede chips, kunstige synapser og nye typer transistorer, der lærer og tilpasser sig.
Mange tidligere forsøg er slået fejl på grund af utilstrækkelig biologisk kompatibilitet. Enhederne fungerede enten under for tørre og sterile forhold, eller de udsendte alt for kraftige elektriske signaler, der ikke passede til hjernens sarte kemi. Holdet fra University of Massachusetts lykkedes imidlertid med at overvinde disse barrierer.
Forskerne skabte en neuron, der kan kommunikere med en rigtig neuron på en måde, der ligner den naturlige meget tæt — og som desuden arbejder i et fugtigt miljø svarende til det, nerveceller fungerer i. Nøglen viste sig at være proteinnanofibrer — mikroskopiske ledere produceret af bakterier.
Sådan fungerer proteinnanofibrer i den kunstige neuron
I naturen hjælper proteinnanofibrer bakterier med at hæfte sig til overflader og udveksle elektroner. Ingeniørerne udnyttede denne egenskab til at konstruere en ledende struktur, der kan nedsænkes i en opløsning svarende til den væske, der omgiver neuroner.
Proteinnanofibrerne virker som fine, naturlige ledere, der “forstår” både elektronik og levende væv. Det er vigtigt af to grunde. For det første kan en sådan kunstig neuron fysisk sameksistere med nerveceller uden at kræve sterile, tørre forhold som mange klassiske kredsløb.
For det andet er den tilstrækkelig følsom til at arbejde ved spændinger tæt på dem, vores hjerne genererer. Denne egenskab udgør en afgørende forskel i forhold til tidligere konstruktioner, der krævede langt højere spændinger og forbrugte mange gange mere energi.
Tidligere konstruktioner af kunstige neuroner krævede endog ti gange højere spænding end naturlige nerveceller. Det resulterede i hundrede gange højere energiforbrug og et alt for kraftigt signal, som biologien ikke kunne modtage korrekt. Det nye element arbejder ved en spænding på omkring 0,1 volt — omtrent det samme som en menneskelig neuron genererer.
Energi svarende til den virkelige hjerne ændrer alt
Ifølge en af ingeniørerne mindede tidligere versioner om en råbende person med megafon, der stormer ind i et stille forelæsningslokale. Den nye løsning opfører sig snarere som en person, der taler halvt hvisket og tilpasser tonen til omgivelserne.
Takket være dette dominerer den kunstige neuron ikke det biologiske system, men samarbejder reelt med det. Vi har derfor for første gang mulighed for ægte tovejskommunikation: elektronikken aflæser signaler fra neuronen og sender et svar tilbage i et “sprog”, den forstår. Dette gennembrud åbner vejen for enheder, der kan fungere inden i den menneskelige krop i lang tid.
Jo lavere spænding og jo mindre energiforbrug, jo tættere er vi på elektronik, der fungerer som væv og ikke som et fremmedlegeme. Medarbejderne fra University of Massachusetts understreger, at netop dette aspekt i fremtiden kan muliggøre miniatureimplantater, der fungerer i årevis uden batteriskift.
Forskerne ser flere mulige anvendelser. En ny generation af neurologiske implantater kunne blive mere præcis, mindre invasiv og bedre tilpasset hjernens signaler. Kunstige neuroner ville også kunne overtage nogle af de tabte cellers opgaver ved protesering af beskadigede hjerneområder.
Hvilke andre anvendelser har denne teknologi
Neuromorf processorer udgør et andet lovende anvendelsesområde. Hjerneinspirerede elektroniske kredsløb er væsentligt mere energieffektive end klassiske CPU’er og GPU’er, hvilket gør dem attraktive til fremtidige computersystemer.
Bedre grænseflader mellem hjerne og computer kunne give langt mere præcis kommunikation med neuroner end nuværende systemer, der anvender metalelektroder. Sådanne fremskridt kunne hjælpe patienter med lammelse til at styre proteser med tankerne eller give mennesker med taleforstyrrelser mulighed for at kommunikere igen.
Ved at arbejde ved spændinger tæt på de biologiske åbner disse kredsløb vejen til miniature, energieffektive medicinske enheder, der kan bæres i kroppen i årevis. Indtil videre har vi dog ét enkelt element, der opfører sig lovende under laboratorieforhold.
Yderligere udfordringer er tydelige: det er nødvendigt at verificere stabiliteten af en sådan neuron over længere tid, dens modstandsdygtighed over for temperaturændringer, kemiske fluktuationer og evnen til at fungere i et netværk med andre celler. Forskerne vil også skulle fastlægge, hvordan man bedst forbinder flere sådanne kunstige neuroner med levende væv.
Hvad fremtiden bringer for forskning i kunstige neuroner
Hvis teknologien bevæger sig mod medicinske anvendelser, kan patienter med Parkinsons sygdom eller Alzheimers sygdom få helt nye terapeutiske redskaber. I stedet for blot at lindre symptomer ville læger få mulighed for delvis at gendanne funktioner fra tabte neuroner.
Grænseflader, der forbinder hjernen med elektronik, fremkalder altid en spænding mellem fascination og bekymring. På den ene side tiltrækker visionen om at gendanne tabte funktioner, på den anden tvinger det til at tænke over grænserne for menneskelig modifikation og over, hvem der skal administrere så følsomme data som neuronal aktivitet. De etiske spørgsmål vil vokse i takt med teknologiens udvikling.
Det er værd at bemærke, at neuroner ikke blot er “kabler”, der leder impulser. Hver celle har sin egen kemi, metabolisme og reagerer på hormoner og stoffer fra omgivelserne. En kunstig neuron — selv en meget avanceret — efterligner foreløbig primært det elektriske lag. Den vil derfor i lang tid snarere fungere som støtte og protese end som en fuldgyldig erstatning for levende væv.
For dem, der følger udviklingen inden for kunstig intelligens, kan dette emne virke fjernt, men der er en interessant forbindelse. Maskinlæring og neurale netværk i computere lader sig kun symbolsk inspirere af biologien. Neuromorf integration forsøger at nærme sig den virkelige hjerne fra hardwarens side. Hvis disse to retninger begynder at smelte sammen, kan vi se helt nye typer intelligente enheder — ikke blot hurtige og smarte, men også tættere på den måde, vores eget nervesystem fungerer på. Man bør ikke forvente øjeblikkelige, omvæltende ændringer, men forskningens retning peger mod en fremtid, hvor grænsen mellem biologi og elektronik gradvist udviskes.
