Et elektronisk element taler med levende nerveceller
Forskere fra University of Massachusetts har udviklet et elektronisk element, der er i stand til at udveksle signaler med levende nerveceller i et fugtigt miljø, der ligner hjernen. For første gang i historien fungerer det ved et spændingsniveau, der svarer til biologiske neuroner.
Holdet beskrev i tidsskriftet Nature Communications et system, der ikke blot efterligner hjernens signaler, men også formår at operere under forhold meget tæt på dem, de virkelige neuroner befinder sig i. Denne teknologi har potentialet til fuldstændigt at ændre tilgangen til behandling af neurologiske sygdomme og til udviklingen af hjerneinspiret elektronik.
Hvad sker der, når neuroner holder op med at fungere
Hjernen udgør et tæt netværk af forbindelser. Ifølge data fra Institut for Hjerneforskning består den af cirka 100 milliarder neuroner — nerveceller specialiseret i at videresende information. Hver enkelt celle er sammensat af tre hoveddele: cellekroppen, dendritter og axonen. Dendritterne opsamler signaler fra andre celler, cellekroppen behandler dem, og axonen fungerer som leder for de elektriske impulser til de næste neuroner.
På et splitsekund passerer millioner af sådanne impulser gennem hjernen. De styrer, hvordan du bevæger dig, hvad du føler, og hvad du husker. Problemet opstår, når neuroner holder op med at fungere eller dør. I modsætning til mange andre celletyper fornyer neuroner sig ikke let — én gang tabt forbliver de som regel borte for altid. Det er netop derfor, at neurologi og biomedicinsk ingeniørvidenskab i årevis har søgt måder at beskytte eller erstatte dem.
Neurologiske konsekvenser af neurondød
Skader på nervenetværket kan føre til alvorlige følger. Bevægelsesforstyrrelser som Parkinsons sygdom opstår, når de dopaminproducerende neuroner i basalganglierne dør. En anden gruppe er sanse- og perceptionsforstyrrelser, hvor hjernen ikke længere korrekt kan behandle information fra øjne, ører eller hud.
Alvorlige hukommelsesproblemer udgør en tredje kategori. Ved Alzheimers sygdom forsvinder neuroner gradvist i hippocampus og hjernebarken, hvilket fører til nedbrydning af både kort- og langtidshukommelsen. Mennesker mister evnen til at genkende nære pårørende, orientere sig i rummet eller erindre vigtige hændelser.
Hvad er neuromorfisk integration i praksis
Den nye kunstige neuron fra Massachusetts passer ind i en bredere tendens kaldet neuromorfisk integration. Det drejer sig om at designe elektronik, der så trofast som muligt kopierer strukturen og adfærden hos neuroner og synapser. I stedet for klassisk lineær databehandling, som i traditionelle processorer, forsøger neuromorfiske kredsløb at fungere mere som en hjerne: parallelt, energibesparende og ved hjælp af korte impulser.
I laboratorier verden over udvikles specialiserede chips, kunstige synapser og nye transistortyper, der lærer og tilpasser sig. Hidtil er mange forsøg imidlertid brudt ned på utilstrækkelig biologisk kompatibilitet. Enhederne fungerede enten under alt for tørre, sterile forhold, eller de udsendte elektriske signaler, der var for kraftige til hjernens fine kemi.
Proteinnanofibres som nøglen til gennembruddet
Forskerne fra University of Massachusetts hævder, at de har formået at nedbryde disse barrierer. Deres kunstige neuron kommunikerer med en ægte neuron på en måde, der er meget tæt på det naturlige, og den opererer i et fugtigt miljø svarende til det, nerveceller lever i. Proteinnanofibrer — mikroskopiske ledere skabt af bakterier — viste sig at være den afgørende faktor.
I naturen hjælper disse fibrer bakterier med at hæfte sig til overflader og udveksle elektroner. Ingeniørerne udnyttede denne egenskab til at opbygge en ledende struktur, der kan nedsænkes i en opløsning svarende til den væske, der omgiver neuroner. Proteinnanofibrene fungerer som fine naturlige ledere, der kan kommunikere med både elektronik og levende væv.
Hvordan den kunstige neuron arbejder ved hjernens spændingsniveau
Tidligere konstruktioner af kunstige neuroner krævede op til ti gange højere spænding end naturlige nerveceller. Det resulterede i et hundrede gange større energiforbrug og et alt for kraftigt signal, som biologien ikke korrekt kunne modtage. Det nye element arbejder ved et spændingsniveau på omtrent 0,1 volt — nogenlunde svarende til det, en menneskelig neuron genererer.
En af ingeniørerne sammenlignede tidligere versioner med en råber med en megafon, der træder ind i en stille forelæsningssal. Den nye løsning opfører sig snarere som en person, der taler roligt og tilpasser tonen til omgivelserne. Derved dominerer den kunstige neuron ikke det biologiske system, men samarbejder reelt med det.
For første gang har vi altså en reel chance for ægte tovejskommunikation. Elektronikken aflæser signaler fra neuronen og sender et svar i et sprog, den forstår. Det er en afgørende forskel fra klassiske metalelektroder, der snarere fungerer som grove sensorer end som fintmærkende kommunikationsgrænseflader.
Konkrete anvendelsesmuligheder inden for medicin og IT
Det faktum, at én kunstig neuron er skabt, betyder ikke, at vi i morgen har en fuldt funktionel kunstig hjernebark. Retningen er dog klar. Jo bedre vi lærer at bygge de enkelte elementer, desto lettere vil det blive at samle dem i større netværk. Forskerne ser flere mulige anvendelser, der kan forandre ikke kun medicinen, men også informationsteknologien.
Øverst på listen står en ny generation af neurologiske implantater — mere præcise, mindre invasive og bedre tilpasset hjernens signaler. Den anden retning er protesering af skadede hjerneområder, hvor kunstige neuroner kan overtage en del af de tabte cellers opgaver.
En tredje mulighed er neuromorfiske processorer — elektroniske kredsløb inspireret af hjernen, der er langt mere energieffektive end klassiske CPU- og GPU-enheder fra virksomheder som Intel eller NVIDIA. En fjerde mulighed er forbedrede hjerne-computer-grænseflader, hvor finere kommunikation erstatter nutidens systemer med metalelektroder.
Yderligere perspektiver omfatter:
- Miniature-sensorer til overvågning af hjerneaktivitet ved epilepsi
- Implantater til patienter med rygmarvsskader, der muliggør genoprettelse af motoriske funktioner
- Eksperimentelle terapier ved demens ved hjælp af stimulation af hippocampus
- Energibesparende signalbærere til langtidsovervågning af neurodegenerative sygdomme
- Prototyper på smarte proteser, der reagerer direkte på nerveimpulser
- Forskningsplatforme til test af lægemidler, der virker på nervesystemet
- Hybride kredsløb, der kombinerer siliciumchips med levende neuroner til robotteknologi
- Avancerede systemer til rehabilitering efter blodprop i hjernen
Hvad skal løses, inden teknologien kan bruges klinisk
Indtil videre har vi ét enkelt element, der opfører sig lovende under laboratoriebetingelser. De næste udfordringer er tydelige: stabiliteten af en sådan neuron over længere tid skal verificeres, ligesom dens modstandsdygtighed over for temperaturændringer, kemiske udsving og evnen til at fungere i et netværk med andre celler. Forskerne vil også skulle fastlægge, hvordan mange kunstige neuroner bedst knyttes til levende væv.
Hvor mange kræves der? I hvilke mønstre? Hvordan styres deres indlæring? Her spiller ikke kun ingeniørvidenskab ind, men også etik. Spørgsmål om grænserne for indgreb i hjernen vil blive stadig mere presserende, efterhånden som teknologien nærmer sig klinisk praksis.
Universiteter som Stanford, MIT og ETH Zürich arbejder allerede i dag på lignende projekter. Konkurrencen vil fremskynde udviklingen, men øger også presset på sikkerhedsstandarderne. Regulerende myndigheder som FDA i USA og EMA i Europa vil skulle fastlægge regler for afprøvning og godkendelse af sådanne enheder.
Muligheder og risici ved at forbinde hjernen med elektronik
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 chancen for delvist at genoprette funktionerne hos tabte neuroner. Det ville udgøre en revolution på linje med indførelsen af antibiotika i forrige århundrede.
Grænseflader, der forbinder hjernen med elektronik, fremkalder altid en spænding mellem fascination og bekymring. På den ene side lokker visionen om at genvinde tabte funktioner, på den anden tvinger den os til at reflektere over grænserne for menneskelig modifikation — og over, hvem der vil forvalte så følsomme data som neuronal aktivitet. Spørgsmål om cybersikkerhed og privatliv vil være afgørende.
Det er også værd at huske, at neuroner ikke blot er kabler, der leder impulser. Hver celle har sin egen kemi og metabolisme og reagerer på hormoner og stoffer fra omgivelserne. En kunstig neuron, selv en meget avanceret, efterligner indtil videre 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 emnet virke fjernt — men der er en interessant forbindelse. Maskinlæring og neurale netværk i computere lader sig kun symbolsk inspirere af biologien. Neuromorfisk integration forsøger at nærme sig den virkelige hjerne på 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.
