Et elektronisk system, der taler hjernens sprog
Forskere fra University of Massachusetts har udviklet et elektronisk system, der er i stand til at efterligne hjernens signaler og fungere i et fugtigt miljø – præcis som rigtige nerveceller gør det.
Holdet beskrev i tidsskriftet Nature Communications en enhed, der potentielt kan revolutionere behandlingen af neurologiske sygdomme og åbne nye veje inden for hjerneinspiret elektronik. Nøglen til gennembruddet er proteinbaserede nanofibre produceret af bakterier, som fungerer som naturlige ledere mellem elektronik og levende væv.
Hvad sker der, når neuroner holder op med at virke?
Hjernen er et tæt netværk bestående af cirka 100 milliarder neuroner – nerveceller specialiseret i informationsoverførsel. Hver neuron består af tre hoveddele: cellelegemet, dendritter og axonet. Dendritter opsamler signaler fra omgivende celler, cellelegemet bearbejder dem, og axonet leder den elektriske impuls videre til andre neuroner.
På en brøkdel af et sekund løber millioner af sådanne impulser gennem hjernen og styrer alt fra bevægelse og fornemmelser til hukommelse. Problemet opstår, når neuronerne ophører med at fungere eller dør. I modsætning til mange andre celletyper fornyer neuroner sig sjældent – tabte celler er som regel tabt for altid.
Skadet nervevæv kan føre til alvorlige konsekvenser. Ifølge hjerneforskningsinstitutter kan neuronernes dysfunktion udløse et bredt spektrum af problemer:
- bevægelsesforstyrrelser som Parkinsons sygdom
- forstyrrelser i sanseopfattelsen og perceptionen
- alvorlige hukommelsesproblemer typiske for Alzheimers sygdom
- nedsat koordination mellem hjernens forskellige områder
- tab af evnen til at tilegne sig nye færdigheder
- vanskeligheder med at genkende ansigter og genstande
Netop derfor har neurologi og biomedicinsk ingeniørvidenskab i årevis søgt metoder til at beskytte eller erstatte neuroner. Det er særligt vigtigt at udvikle teknologi, der efterligner en neurons funktion så troværdigt, at hjernen accepterer den som sin egen.
Hvad er neuromorfisk integration egentlig?
Den nye kunstige neuron fra Massachusetts passer ind i en bredere tendens kaldet neuromorfisk integration. Det handler om at designe elektronik, der så præcist som muligt kopierer strukturen og adfærden hos neuroner og synapser. I stedet for klassisk lineær databehandling forsøger neuromorfiske kredsløb at fungere som hjernen: parallelt, energieffektivt og ved hjælp af korte impulser.
I laboratorier verden over udvikles specialchips, kunstige synapser og nye transistortyper, der kan lære og tilpasse sig. Hidtidige forsøg er dog ofte stødt på utilstrækkelig biologisk kompatibilitet. Enhederne fungerede enten kun i tørt, sterilt miljø, eller de sendte elektriske signaler, der var alt for kraftige til hjernens sarte kemi.
Forskerholdet fra University of Massachusetts hævder at have brudt disse barrierer. Deres kunstige neuron kommunikerer med en rigtig neuron på en måde, der ligger meget tæt på det naturlige, og den fungerer i et fugtigt miljø svarende til nervecellernes egne omgivelser.
Proteinbaserede nanofibre som bro mellem elektronik og væv
Nøglen viste sig at være proteinbaserede nanofibre – mikroskopiske ledere produceret af bakterier. I naturen hjælper de bakterier med at hæfte sig til overflader og udveksle elektroner med omgivelserne. Ingeniørerne udnyttede denne egenskab til at bygge en ledende struktur, der kan nedsænkes i en opløsning svarende til den væske, der omgiver neuroner.
Disse proteinfibre fungerer som fine, naturlige ledere, der “forstår” både elektronik og levende væv på én gang. De kan dermed formidle kommunikation i begge retninger uden brug af aggressive metalelektroder, som ofte beskadiger omgivende celler.
Denne egenskab er afgørende af to grunde. For det første kan den kunstige neuron fysisk sameksistere med nerveceller uden at kræve et tørt, sterilt miljø. For det andet er den tilstrækkeligt følsom til at arbejde ved spændinger tæt på dem, hjernen genererer – omtrent 0,1 volt.
Tidligere konstruktioner af kunstige neuroner krævede op til ti gange højere spænding end naturlige nerveceller. Det resulterede i hundrede gange højere energiforbrug og alt for kraftige signaler, som biologien ikke reagerede korrekt på. En af ingeniørerne sammenlignede det med en person med megafon, der stormede ind i et stille auditorium. Den nye løsning opfører sig snarere som én, der taler dæmpet og tilpasser tonen til omgivelserne.
Takket være dette dominerer den kunstige neuron ikke det biologiske system – den samarbejder reelt med det. For første gang er der udsigt til ægte tovejskommunikation: elektronikken aflæser signaler fra neuronen og sender svar tilbage i et “sprog”, den kan forstå.
Hvordan kan teknologien ændre medicin og elektronik?
At skabe én kunstig neuron betyder ikke, at en fuldt funktionel kunstig hjernebark er inden for rækkevidde i morgen. Retningen er dog klar – jo bedre vi lærer at bygge de enkelte komponenter, desto lettere bliver det at forbinde dem i større netværk. Forskerne ser flere mulige anvendelser:
- en ny generation af neurologiske implantater, der er mere præcise og mindre invasive
- erstatning af beskadigede hjerneområder med kunstige neuroner, der overtager tabte cellers funktion
- neuromorfiske processorer inspireret af hjernen, der er langt mere energieffektive end klassiske CPU’er og GPU’er
- bedre hjerne-computer-grænseflader med finere kommunikation end nuværende metalelektroder
- miniaturiserede medicinske enheder, der kan bæres i kroppen i mange år
- overvågningssystemer, der følger hjerneaktiviteten i realtid
- terapeutiske værktøjer til patienter med Parkinsons sygdom eller Alzheimers sygdom
Når kredsløbene arbejder ved spændinger tæt på de biologiske, åbnes vejen for miniaturiserede, energibesparende medicinsk udstyr. Jo lavere spænding og energiforbrug, desto nærmere kommer vi elektronik, der opfører sig som væv og ikke som et fremmedlegeme.
Forskerne fra University of Massachusetts understreger, at teknologien kan transformere behandlingen af neurodegenerative sygdomme. I stedet for blot at dæmpe symptomerne kunne læger delvist gendanne tabte neuronale funktioner og dermed give patienterne noget af deres selvstændighed tilbage.
Næste skridt og fremtidige udfordringer
Foreløbig har vi ét enkelt element, der opfører sig lovende under laboratoriebetingelser. Udfordringerne er åbenlyse: det er nødvendigt at verificere neuronens stabilitet over længere tid, dens modstandsdygtighed over for temperaturændringer, kemiske udsving og evnen til at fungere i et netværk med andre celler.
Forskerne skal også finde ud af, hvordan man bedst forbinder et større antal kunstige neuroner med levende væv – hvor mange der er behov for, i hvilke mønstre, og hvordan man styrer deres læring. Det handler ikke kun om ingeniørvidenskab, men også om etik. Spørgsmål om grænserne for indgreb i hjernen vil blive stadig mere presserende.
Hjernen er nemlig mere end kabler, der leder impulser. Hver celle har sin egen kemi, sit eget stofskifte og reagerer på hormoner og stoffer fra omgivelserne. En kunstig neuron – selv en meget avanceret – efterligner foreløbig primært det elektriske lag. Derfor vil den 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 trækker kun symbolsk inspiration fra biologien. Neuromorfisk integration forsøger at nærme sig den virkelige hjerne fra hardwaresiden. 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.
