Et gennembrud, der kan forandre behandlingen af Parkinsons sygdom
For første gang er det lykkedes forskere at skabe en kunstig nervecelle, der forstår biologiske neuroner og arbejder ved et spændingsniveau, der svarer til det menneskelige hjertes. Dette gennembrud fra et universitetslaboratorium kan revolutionere behandlingen af Parkinsons sygdom og fremtiden for neuromorfiske chips.
Hjernen er blandt de mest komplekse organer i menneskekroppen. Ifølge estimater rummer den omkring 100 milliarder neuroner – specialiserede nerveceller, der hver består af et cellelegeme, et tæt netværk af signalmodtagende udløbere kaldet dendritter og en lang tråd, axonen, der sender impulsen videre.
Processen fungerer nogenlunde sådan: neuronen modtager information via dendritter, bearbejder den i cellelegemet og udsender derefter en elektrisk impuls gennem axonen til andre celler. Sådan opstår tanker, bevægelse og sansning af smerte, lugt og lyd. Afbrydes denne kæde, mærkes konsekvenserne umiddelbart i hele organismen.
Skade på eller død af neuroner kan føre til sygdomme som Parkinsons sygdom, alvorlige bevægelsesforstyrrelser og den gradvise hukommelsessvækkelse, der kendetegner Alzheimers sygdom. Derfor vækker ethvert redskab, der kan efterligne eller erstatte en neuron, stor begejstring hos både læger og ingeniører.
Hvorfor neuroner ikke fornyes – og hvad det betyder
I modsætning til mange andre celler i kroppen regenererer neuroner sig stort set ikke af sig selv. Dør de, er organismen normalt ude af stand til at erstatte dem. Det betyder, at hjerne- og rygmarvsskader ofte er uoprettelige, og at følgerne af ulykker eller sygdomme kan følge et menneske hele livet.
I årevis har forskningen arbejdet på teknologier, der kan støtte eller delvist erstatte beskadigede nerveceller. En af de mest lovende retninger er såkaldt neuromorfisk integration – udviklingen af elektroniske kredsløb inspireret af hjernens opbygning og funktion. Tanken er, at processorer eller specialchips skal behandle information på lignende måde som neuronnetværk, frem for blot at udføre simple, lineære beregninger.
Hidtidige forsøg på at skabe kunstige neuroner har dog haft klare begrænsninger. Apparaterne krævede oftest høje spændinger, forbrugte for meget energi og var svære at integrere i det sarte biologiske miljø. Desuden adskilte deres måde at overføre information sig markant fra neuronernes naturlige "sprog", hvilket gjorde kommunikationen med kroppens celler upræcis.
Sådan løste forskere fra University of Massachusetts spændingsproblemet
Et forskerhold fra University of Massachusetts valgte en radikalt anderledes tilgang. Ifølge det publicerede arbejde lykkedes det dem at konstruere en kunstig neuron, der fungerer ved et spændingsniveau tæt på det menneskelige hjertes – cirka 0,1 volt. Det er ubeskriveligt meget mindre end tidligere konstruktioner, der krævede op til ti gange højere spænding og forbrugte hundrede gange mere energi.
Kernen i den nye løsning er et kredsløb med proteinnanofibre, der kan videregive elektriske signaler på en fin og stille måde, der minder meget om neuronernes naturlige aktivitet. Det afgørende er, at denne kunstige neuron ikke blot genererer impulser – den kommunikerer reelt med ægte nerveceller. Forskerne viste, at apparatet kan udsende signaler, som den biologiske neuron modtager, fortolker og reagerer på. Hele systemet fungerer i et fugtigt miljø, svarende til det der findes i hjernen eller nervevævet.
Proteinnanofibrene spiller en central rolle i hele systemet. Der er tale om utroligt tynde tråde sammensat af proteiner produceret af bakterier. Disse nanofibre kan hæfte sig til forskellige overflader og transportere elektroner langs deres struktur – tænk på dem som supertynde, biologiske ledninger, der forbinder elektronikkens verden med levende celler.
Sådanne fibre tåler udmærket det vandige miljø, hvor almindelig elektronik ofte svigter. Dermed kan den kunstige neuron arbejde under lignende forhold som ægte neuroner, uden at det er nødvendigt at isolere den hermetisk fra omgivelserne.
- Det elektriske signal svarer til den naturlige nerveimpuls hvad angår spænding
- Energiforbruget til drift af kredsløbet falder med op til hundrede gange sammenlignet med tidligere projekter
- Proteinnanofibrene er kompatible med et fugtigt, biologisk miljø
- Kommunikationen med den biologiske neuron forløber gnidningsfrit, uden forstyrrelser fra kraftigere impulser
- Konstruktionen fungerer ved cirka 0,1 volt – ligesom den menneskelige hjerne
- Apparatet kan reagere på signaler fra ægte nerveceller
- Bakterielle nanofibre muliggør elektronoverførsel i et biologisk venligt miljø
Anvendelser inden for medicin og datalogi
Forskerne ser flere direkte anvendelsesmuligheder. Medicinen og præcise hjerne-maskine-grænseflader er det primære fokus. Finere og mere energieffektive kunstige neuroner kunne i fremtiden forbinde de dele af hjernen, der styrer bevægelse, sansning eller hukommelse, og hjælpe der, hvor de naturlige forbindelser er beskadiget.
I praksis kan det betyde mere følsomme og stabile implantater til mennesker efter slagtilfælde, en ny generation af stimulatorer til patienter med Parkinsons sygdom, eller kredsløb der understøtter dannelsen af nye nerveforbindelser ved rygmarvsskader. Betingelsen er én: de kunstige neuroner skal virkelig "forstå" det, der er tilbage af det biologiske netværk, uden at forstyrre dets arbejde.
Jo tættere teknologien nærmer sig ægte neuronernes funktionsmåde, desto større er chancen for, at organismen accepterer den som et naturligt element i nervenetværket. Neuromorfisk integration har desuden enorm betydning for datalogi og elektronik. Hjerneinspirerede kredsløb kan være langt mere energieffektive end klassiske processorer og samtidig bedre håndtere opgaver, der kræver "intuition": billedgenkendelse, taleanalyse eller hurtig beslutningstagning på baggrund af ufuldstændige data.
Forskerne fra Massachusetts understreger, at deres konstruktion åbner vejen til apparater, der ikke blot passivt aflæser hjernens signaler, men aktivt deltager i nervekommunikationen. Det er en afgørende forskel fra hidtidige neuro-proteser, der primært registrerede elektrisk aktivitet men kun vanskeligt kunne påvirke den ad naturlig vej.
Hvor tæt er vi på egentlige implantater og neuromorfiske chips?
Selv om det lyder som et sci-fi-scenarie, lader vejen til praktiske implantater eller computere med kunstige neuroner i en central rolle sig allerede skitsere. Der er stadig en række vanskelige spørgsmål, der skal løses: hvordan sikres den langsigtede stabilitet af sådanne elementer i organismen, hvordan undgås immunreaktioner, og hvordan styres tusinder – ja, millioner – af kunstige neuroner på én gang.
Ingeniørerne arbejder også på, at disse kredsløb skal kunne lære, ligesom et naturligt nervenetværk gør det. Det kræver design af "kunstige synapser", der over tid styrker eller svækker forbindelser afhængigt af indkommende signaler. Først kombinationen af begge dele – neuroner og synapser – vil gøre det muligt at nærme sig den menneskelige hjernebarks plasticitet.
For den almindelige person er det nok mest interessant, at denne teknologi en dag kan smelte sammen med løsninger, vi allerede kender fra hverdagen: kunstig intelligens i smartphones, avancerede proteser eller intelligent assistance i lægernes arbejde. Kan en kunstig neuron kommunikere med nervevæv, er der intet til hinder for, at lignende kredsløb en dag bliver "oversætteren" mellem hjernen og de intelligente apparater omkring os.
Det etiske aspekt fortjener også opmærksomhed. Jo bedre vi lærer at gribe ind i hjernens aktivitet, desto højere lyder spørgsmålene om grænserne for sådanne indgreb: hvem kontrollerer nervedata, er manipulation med adfærd mulig, og hvordan beskyttes hjerne-computer-kredsløb mod hackerangreb. Debatten om den kunstige neuron slutter ikke i laboratoriet – den bevæger sig hurtigt videre til lægekonsultationer, advokatkontoret og bioetiske kommissioner.
Hvad man kan tage med sig fra opdagelsen fra Massachusetts
Gennembruddet fra University of Massachusetts viser, at grænsen mellem biologi og elektronik hurtigt udviskes. En kunstig neuron, der fungerer ved lav spænding, er kompatibel med et fugtigt miljø og kan kommunikere gnidningsfrit med levende celler, åbner dørene til nye terapier såvel som nye computerarkitekturer. Proteinnanofibre fra bakterier har vist sig at være den ideelle bro mellem chipverdenen og nervevævet.
For patienter med neurologiske lidelser kan det i fremtiden betyde håb om mere præcise implantater, der ikke blot registrerer, men aktivt genopretter afbrudte forbindelser. For udviklere repræsenterer det inspiration til energieffektive processorer, der tænker mere som en hjerne end som en lommeregner. Og for samfundet som helhed er det en påmindelse om, at revolutionen inden for neurovidenskab og medicin ikke længere tilhører en fjern fremtid – den udspiller sig lige nu, i laboratorier hvor små kunstige celler for første gang begyndte at forstå menneskelige neuroner.
