Et gennembrud der kan forandre behandlingen af neurologiske sygdomme
For første gang er det lykkedes forskere at skabe en kunstig nervecelle, der forstår biologiske neuroner og arbejder ved en spænding, der svarer til den menneskelige hjernes. 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. Hver neuron består af et cellelegeme, et tæt netværk af udløbere der modtager signaler kaldet dendritter, samt en lang fiber – axonen – hvorigennem impulsen videresendes.
Processen fungerer omtrent sådan: neuronen modtager information via dendritter, bearbejder den i cellelegemet og sender derefter en elektrisk impuls gennem axonen til andre celler. Sådan opstår tanker, bevægelse, smertefornemmelse, lugte og lyde. Når denne kæde brydes, mærkes konsekvenserne øjeblikkeligt i hele organismen.
Skade på eller død af neuroner kan føre til sygdomme som Parkinsons, alvorlige bevægelsesforstyrrelser, føleforstyrrelser og den gradvise hukommelsessvækkelse der karakteriserer Alzheimers sygdom. Derfor vækker ethvert værktøj, der gør det muligt at kontrollere, 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 stort set ikke af sig selv. Når de dør, er organismen normalt ude af stand til at gendanne dem. Det betyder, at hjerne- og rygmarvsskader ofte er uoprettelige, og at følgerne af ulykker eller sygdom følger patienten resten af livet.
I årevis har forskere arbejdet på teknologier, der kan støtte eller delvist erstatte beskadigede nerveceller. En af de mest spændende tilgange er såkaldt neuromorfisk integration – udviklingen af elektroniske kredsløb inspireret af hjernens opbygning og funktion. Målet er, at processorer eller specialchips behandler information på samme måde som neuronnetværk, frem for blot at udføre enkle, lineære beregninger.
Tidligere forsøg på at skabe kunstige neuroner har dog haft klare begrænsninger. Enhederne krævede typisk høj spænding, forbrugte for meget energi og var vanskelige at integrere i det sårbare 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
Forskerholdet fra University of Massachusetts valgte en radikalt anderledes tilgang. Som det fremgår af den offentliggjorte forskning, lykkedes det dem at konstruere en kunstig neuron, der fungerer ved en spænding tæt på den menneskelige hjernes – cirka 0,1 volt. Det er uforligneligt meget lavere end tidligere konstruktioner, der krævede ti gange så høj spænding og forbrugte hundrede gange mere energi.
Kernen i den nye løsning er et kredsløb med protein-nanofibre, der kan videresende elektriske signaler på en subtil, stille måde, der i høj grad ligner neuronernes naturlige aktivitet. Det afgørende er, at denne kunstige neuron ikke blot genererer impulser – den kommunikerer faktisk med rigtige nerveceller. Forskerne viste, at enheden kan udsende signaler, som den biologiske neuron modtager, fortolker og reagerer på. Hele systemet fungerer i et fugtigt miljø, der minder om forholdene i hjernen eller nervevæv.
Protein-nanofibrene spiller en central rolle i hele systemet. Det drejer sig om utroligt tynde fibre sammensat af proteiner, som bakterier producerer. Disse nanofibre kan hæfte sig til forskellige overflader og lede elektroner langs deres struktur. Man kan forestille sig dem som supertynde, biologiske ledninger, der forbinder elektronikkens verden med levende celler.
Sådanne fibre trives fint i vandige miljøer, hvor almindelig elektronik ofte fejler. Dermed kan den kunstige neuron arbejde under betingelser, der ligner de ægtes, uden at skulle hermetisk forsegles fra omgivelserne.
- Det elektriske signal svarer til en naturlig nerveimpuls hvad angår spænding
- Energiforbruget til drift af kredsløbet er op til hundrede gange lavere end i tidligere projekter
- Protein-nanofibre er kompatible med det fugtige, biologiske miljø
- Kommunikationen med biologiske neuroner forløber gnidningsfrit uden forstyrrende stærkere impulser
- Konstruktionen fungerer ved en spænding på cirka 0,1 volt – ligesom den menneskelige hjerne
- Enheden kan reagere på signaler fra ægte nerveceller
- Bakterielle nanofibre muliggør elektronoverførsel i et biologisk venligt miljø
Kunstige neuronernes anvendelse inden for medicin og datalogi
Forskerne ser flere direkte anvendelsesmuligheder. Først og fremmest tænker de på medicin og præcise hjerne-maskine-grænseflader. Subtile, energieffektive kunstige neuroner vil i fremtiden kunne forbinde dele af hjernen, der er ansvarlige for bevægelse, følelse eller hukommelse, og hjælpe der, hvor de naturlige forbindelser er beskadigede.
I praksis kan det betyde mere følsomme og stabile implantater til slagtilfældepatienter, en ny generation af stimulatorer til personer 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 funktion.
Jo tættere teknologien kommer på den måde, rigtige neuroner fungerer, 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. Hjerne-inspirerede 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 for enheder, der ikke blot passivt aflæser hjernens signaler, men aktivt deltager i nervekommunikationen. Det er en afgørende forskel fra hidtidige neuroprotesere, som primært registrerede elektrisk aktivitet men havde svært ved at påvirke den på naturlig vis.
Hvor tæt er vi på reelle implantater og neuromorfiske chips?
Selvom det lyder som et filmmanuskript, kan vejen mod praktiske implantater eller computere med kunstige neuroner i hovedrollen allerede begynde at tegne sig. Der er dog stadig en række vanskelige spørgsmål at løse: hvordan sikres den langsigtede stabilitet af sådanne elementer i organismen, hvordan undgår man immunreaktioner, og hvordan styres tusindvis – ja, millioner – af kunstige neuroner på én gang.
Ingeniører arbejder også på at få sådanne kredsløb til at lære, ligesom det naturlige nervenetværk gør. 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 hjernes plasticitet.
For den almindelige person er det måske mest interessante, 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. Hvis en kunstig neuron kan kommunikere med nervevæv, er der intet til hinder for, at lignende kredsløb en dag bliver "tolken" mellem hjernen og de intelligente enheder 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 adfærdsmanipulation mulig, og hvordan beskyttes hjerne-computer-kredsløb mod hackerangreb. Debatten om den kunstige neuron slutter ikke i laboratoriet – den bevæger sig hurtigt videre til lægernes konsultationsrum, advokatkontorer og bioetiske kommissioner.
Hvad man bør tage med sig fra Massachusetts-forskerernes opdagelse
Gennembruddet fra University of Massachusetts viser, at grænsen mellem biologi og elektronik hurtigt viskes ud. En kunstig neuron, der arbejder ved lav spænding, er kompatibel med et fugtigt miljø og kan kommunikere flydende med levende celler, åbner døren til nye behandlingsformer og computerarkitekturer. Protein-nanofibre fra bakterier har vist sig at være den ideelle bro mellem chipenes verden og nervevæv.
For patienter med neurologiske sygdomme kan det i fremtiden betyde håb om mere præcise implantater, der ikke blot registrerer men aktivt genopretter afbrudte forbindelser. For udviklere er det en 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 er en fjern fremtidsvision – den foregår netop nu, i laboratorier hvor små kunstige celler for første gang er begyndt at forstå menneskelige neuroner.
