Et elektronisk element taler med levende nerveceller
Forskere fra University of Massachusetts har for første gang skabt et elektronisk element, der på naturlig vis kan kommunikere med levende nerveceller i et fugtigt miljø, der minder om hjernen. Enheden opererer ved spændingsniveauer, der svarer til biologiske neuroner, og baner vejen for behandling af både Parkinsons sygdom og Alzheimers sygdom.
Den menneskelige hjerne består af et tæt netværk med cirka hundrede milliarder neuroner – specialiserede nerveceller, hvis opgave er at overføre information. Ifølge data fra Brain Institute har hver neuron tre primære dele: cellekroppen, dendritterne og axonen. Dendritterne opsamler signaler fra andre celler, cellekroppen bearbejder dem, og axonen fungerer som leder, hvorigennem den elektriske impuls sendes videre til andre neuroner. På et splitsekund løber millioner af sådanne impulser gennem hjernen og styrer vores bevægelser, sansning og hukommelse.
Når nerveceller holder op med at fungere
Problemerne opstår, når neuroner ophører med at fungere eller dør. Skader på nervenetværket kan føre til bevægelsesforstyrrelser som Parkinsons sygdom, sanseforstyrrelser eller alvorlige hukommelsesproblemer, der er karakteristiske for Alzheimers sygdom. I modsætning til mange andre celletyper fornyes neuroner ikke let. Når de først er gået tabt, er de som regel væk for altid.
Netop derfor har neurologi og biomedicinsk ingeniørvidenskab i årevis søgt måder at beskytte eller erstatte nerveceller på. Et afgørende skridt i den retning beskrives nu af et team fra University of Massachusetts i tidsskriftet Nature Communications.
Hvad er neuromorfisk integration, og hvorfor betyder det så meget?
Den nye kunstige neuron fra Massachusetts bygger videre på en bredere tendens kaldet neuromorfisk integration. Det handler om at designe elektronik, der så trofast som muligt kopierer strukturen og adfærden hos neuroner og synapser. I stedet for klassisk lineær databehandling, som vi kender fra traditionelle processorer, stræber neuromorfiske kredsløb efter at fungere mere som hjernen: parallelt, energieffektivt og via korte impulser.
I laboratorier udvikles der derfor specialiserede chips, kunstige synapser og nye typer transistorer, der lærer og tilpasser sig. Mange tidligere forsøg strandede dog på utilstrækkelig biologisk kompatibilitet. Enhederne virkede enten kun under alt for tørre og sterile forhold, eller de udsendte alt for kraftige elektriske signaler, der ikke stemte overens med hjernens fine kemi.
Forskerne fra University of Massachusetts lykkedes med at bryde disse barrierer. Deres kunstige neuron kommunikerer med en levende neuron på en måde, der ligger meget tæt på det naturlige – og fungerer desuden i et fugtigt miljø svarende til det, nerveceller lever i. Nøglen viste sig at være proteinnanotråde, mikroskopiske ledere produceret af bakterier. I naturen hjælper de bakterier med at hæfte sig til overflader og udveksle elektroner. Ingeniørerne udnyttede denne egenskab til at bygge en ledende struktur, der kan nedsænkes i en opløsning svarende til den væske, der omgiver neuroner.
Sådan fungerer proteinnanotråde i den kunstige neuron
Proteinnanofibrer virker som fine, naturlige ledere, der samtidig kan kommunikere med 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 de sterile og tørre forhold, der er typiske for mange klassiske kredsløb. For det andet er den følsom nok til at arbejde ved spændinger, der svarer til dem, vores hjerne genererer.
Tidligere konstruktioner af kunstige neuroner krævede op til ti gange højere spænding end naturlige nerveceller. Det betød hundrede gange højere energiforbrug og et signal, der var for kraftigt til, at biologien kunne modtage det korrekt. Den nye enhed opererer ved en spænding på omkring en tiendedel volt – omtrent det samme som en menneskelig neuron.
Ifølge en af ingeniørerne mindede tidligere versioner om en person med en megafon, der stormer ind i et stille auditorium. Den nye løsning opfører sig derimod mere som én, der taler dæmpet og tilpasser tonen til omgivelserne. Derved dominerer den kunstige neuron ikke det biologiske system, men samarbejder reelt med det. For første gang har vi mulighed for ægte tovejskommunikation: elektronikken aflæser signaler fra neuronen og sender den et svar i et sprog, den forstår.
Hvilke muligheder giver kunstige neuroner inden for medicin og teknologi?
Det at have skabt én kunstig neuron betyder ikke, at der i morgen opstår en fuldt funktionel kunstig hjernebark. Retningen er imidlertid klar – jo bedre vi lærer at bygge de enkelte elementer, jo lettere bliver det at forbinde dem i større netværk. Forskerne ser flere mulige anvendelser:
- En ny generation af neurologiske implantater, der er mere præcise, mindre invasive og bedre tilpasset hjernens signaler
- Erstatning af beskadigede hjerneområder ved hjælp af kunstige neuroner, der overtager tabte cellers opgaver
- Neuromorfiske processorer inspireret af hjernen og langt mere energieffektive end konventionelle CPU’er eller GPU’er
- Forbedrede grænseflader mellem hjerne og computer med finere kommunikation end nuværende systemer, der anvender metalelektroder
- Langvarigt bærbare, miniature medicinske enheder, der arbejder ved biologisk spænding
- Støtte til behandling af Parkinsons sygdom og Alzheimers sygdom gennem delvis genopretning af tabte neuronale funktioner
Ved at arbejde ved spændinger tæt på de biologiske åbner sådanne kredsløb vejen for miniature, energibesparende medicinske apparater, der kan bæres i kroppen i årevis. Jo lavere spænding og jo mindre energiforbrug, desto tættere er vi på elektronik, der fungerer som væv frem for som et fremmedlegeme.
Hvor går grænserne for den nuværende teknologi?
Indtil videre har vi ét element, der opfører sig lovende under laboratorieforhold. De næste udfordringer er åbenlyse: det er nødvendigt at undersøge 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 fastlægge, hvordan man bedst forbinder mange kunstige neuroner med levende væv – hvor mange der er brug for, i hvilke mønstre, og hvordan man kontrollerer deres læring.
Neuroner er ikke blot kabler, der leder impulser. Hver celle har sin egen kemi, sit eget stofskifte og reagerer på hormoner og stoffer fra omgivelserne. En kunstig neuron, om end 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.
Hertil kommer ikke kun ingeniørvidenskabelige, men også etiske spørgsmål. Spørgsmål om grænserne for indgreb i hjernen vil blive stadig mere presserende. Grænseflader, der forbinder hjernen med elektronik, vækker altid spænding mellem fascination og bekymring – på den ene side med visionen om at genskabe tabte funktioner, på den anden side med nødvendigheden af at overveje grænserne for menneskelig modifikation og hvem der forvalter så følsomme data som neuronal aktivitet.
Kunstige neuroner som bro mellem biologi og kunstig intelligens
For dem, der følger udviklingen inden for kunstig intelligens, kan dette emne virke fjerntliggende – men der er en interessant forbindelse. Maskinlæring og neurale netværk i computere lader sig kun symbolsk inspirere af biologien. Neuromorfisk integration forsøger derimod at nærme sig den virkelige hjerne på hardwareniveau. Hvis disse to retninger begynder at smelte sammen, kan vi måske se helt nye typer intelligente enheder – ikke blot hurtige og smarte, men også tættere på, hvordan vores eget nervesystem fungerer.
Forskerne fra University of Massachusetts har bevist, at elektronik og levende væv kan samarbejde på ligeværdige præmisser. Hvis det lykkes at skalere denne teknologi og forbinde den med øvrig forskning inden for neurovidenskab og materialer, får vi redskaber til at behandle sygdomme, vi i dag kun kan lindre. Spørgsmålet er, hvor hurtigt vi kan overvinde de tekniske forhindringer, og hvor grundigt vi overvejer de etiske konsekvenser af sådanne indgreb.
