Et elektronisk element taler hjernens sprog
Forskere ved University of Massachusetts har for første gang skabt et elektronisk element, der kan kommunikere naturligt med levende nerveceller i et fugtigt miljø, der ligner hjernen. Komponenten arbejder ved spændinger, der svarer til biologiske neuroners, og åbner vejen mod behandling af både Parkinsons og Alzheimers sygdom.
Den menneskelige hjerne består af et tæt netværk på omtrent hundrede milliarder neuroner – nerveceller specialiseret i at overføre information. Hver neuron har tre hoveddele: cellekroppen, dendritterne og axonen. Dendritterne opsamler signaler fra andre celler, cellekroppen behandler dem, og axonen fungerer som en ledning, hvorigennem elektriske impulser sendes videre. På en brøkdel af et sekund passerer millioner af sådanne impulser gennem hjernen og styrer vores bevægelser, sanser og hukommelse.
Når neuroner svigter – og hvorfor det er så alvorligt
Problemerne opstår, når neuroner holder op med at fungere eller dør. Skader på nervenetværket kan føre til bevægelsesforstyrrelser som Parkinsons sygdom, sanseforstyrrelser eller de alvorlige hukommelsesproblemer, der er karakteristiske for Alzheimers. I modsætning til mange andre celletyper fornyer neuroner sig ikke let. Når de er tabt, er de som regel tabt for altid.
Netop derfor har neurologi og biomedicinsk ingeniørkunst i årevis søgt metoder til at beskytte eller erstatte nerveceller. En teknologi, der kan efterligne en neurons funktion så troværdigt, at hjernen opfatter den som sin egen, ville være et monumentalt fremskridt – og det er præcis, hvad forskerholdet fra University of Massachusetts nu beskriver i tidsskriftet Nature Communications.
Hvad er neuromorfisk integration, og hvorfor betyder det noget?
Den nye kunstige neuron fra Massachusetts knytter an til en bredere tendens kaldet neuromorfisk integration. Det handler om at designe elektronik, der så trofast som muligt kopierer neuronernes og synapsernes struktur og adfærd. I stedet for traditionel lineær databehandling, som vi kender fra klassiske processorer, stræber neuromorfiske kredsløb efter at fungere mere som hjernen: parallelt, energibesparende og via korte impulser.
I laboratorier udvikles der allerede specialiserede chips, kunstige synapser og nye transistortyper, der kan lære og tilpasse sig. Men mange sådanne forsøg er hidtil strandet på utilstrækkelig biologisk kompatibilitet. Enhederne fungerede enten kun under tørre og sterile forhold, eller de udsendte for kraftige elektriske signaler, der ikke harmonerede med hjernens fine kemi.
Forskerholdet fra University of Massachusetts har formået at bryde disse barrierer. Deres kunstige neuron kommunikerer med en levende nervecelle på en måde, der ligger meget tæt på det naturlige – og den fungerer desuden i et fugtigt miljø svarende til det, nerveceller normalt befinder sig i.
Proteinnanofibre: nøglen til gennembruddet
Hemmeligheden bag den nye neuron er proteinnanofibre – mikroskopiske ledninger produceret af bakterier. I naturen hjælper disse fibre bakterierne 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 nerveceller.
Proteinnanofibrene fungerer som fine, naturlige ledere, der kan kommunikere med både elektronik og levende væv på samme tid. Det er afgørende af to grunde. For det første kan en sådan kunstig neuron fysisk sameksistere med nerveceller uden at kræve sterile, tørre forhold. For det andet er den tilstrækkelig følsom til at arbejde ved spændinger tæt på dem, hjernen selv genererer.
Tidligere konstruktioner af kunstige neuroner krævede op til ti gange højere spænding end naturlige nerveceller, hvilket resulterede i hundrede gange højere energiforbrug og signaler, der var for kraftige til, at biologien kunne modtage dem korrekt. Det nye element arbejder ved cirka en tiendedel volt – omtrent det samme som en menneskelig neuron.
En af ingeniørerne sammenlignede tidligere versioner med en person, der stormer ind i et stille forelæsningslokale med en megafon. Den nye løsning opfører sig snarere som én, der taler roligt og tilpasser sin stemme til omgivelserne. Den kunstige neuron dominerer ikke det biologiske system – den samarbejder med det. For første gang er der udsigt til ægte tovejskommunikation: elektronikken aflæser signaler fra neuronen og sender svar tilbage på et sprog, den forstår.
Hvad kan kunstige neuroner bruges til – i medicin og teknologi?
At skabe én kunstig neuron betyder ikke, at en fuldt funktionel kunstig hjernebark er klar i morgen. Men retningen er klar: jo bedre vi lærer at bygge de enkelte elementer, desto lettere bliver det at forbinde dem i større netværk. Forskerne ser flere mulige anvendelser:
- En ny generation af neurologiske implantater – mere præcise, mindre invasive og bedre afstemt med hjernens signaler
- Erstatning af beskadigede hjerneområder med kunstige neuroner, der overtager de tabte cellers funktioner
- Neuromorfiske processorer inspireret af hjernen, der er langt mere energieffektive end konventionelle CPU’er eller GPU’er
- Forbedrede hjerne-computer-grænseflader med finere kommunikation end nuværende systemer baseret på metalelektroder
- Langvarigt bærbare, miniaturiserede medicinske apparater, der opererer ved biologiske spændinger
- Støtte til behandling af Parkinsons og Alzheimers ved delvist at gendanne funktioner fra tabte neuroner
Fordi disse kredsløb arbejder ved spændinger tæt på biologiske, åbner de vejen mod miniature, energibesparende medicinske apparater, som kroppen kan bære i årevis. Jo lavere spænding og energiforbrug, desto nærmere kommer vi elektronik, der opfører sig som væv – ikke som et fremmedlegeme.
Hvor går grænserne for den nuværende teknologi?
Foreløbig har vi ét element, der opfører sig lovende under laboratorieforhold. De næste udfordringer er tydelige: man skal undersøge stabiliteten over længere tid, modstandsdygtighed over for temperaturudsving og kemiske variationer samt evnen til at fungere i et netværk med andre celler. Forskerne skal også fastslå, hvordan mange kunstige neuroner bedst forbindes med levende væv – hvor mange der er nødvendige, i hvilke mønstre, og hvordan man styrer deres indlæring.
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, uanset hvor avanceret, efterligner foreløbig primært det elektriske lag. I lang tid fremover vil den snarere fungere som støtte og protese end som en fuldgyldig erstatning for levende væv.
Og det er ikke kun ingeniørkunst, der spiller en rolle – etikken er også på banen. Spørgsmål om grænserne for indgreb i hjernen vil blive stadigt mere presserende. Grænseflader, der forbinder hjernen med elektronik, vækker altid en spænding mellem fascination og bekymring. På den ene side lokker de med visionen om at gendanne tabte funktioner; på den anden tvinger de os til at overveje grænserne for menneskelig modifikation og spørgsmålet om, hvem der skal forvalte data så følsomme som neuronal aktivitet.
Kunstige neuroner som bro mellem biologi og kunstig intelligens
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 derimod at nærme sig den virkelige hjerne på hardwareniveau. Hvis disse to retninger begynder at smelte sammen, kan vi måske skimte helt nye typer intelligente enheder – ikke blot hurtige og smarte, men også tættere på den måde, vores eget nervesystem fungerer på.
Forskerne fra University of Massachusetts har demonstreret, at elektronik og levende væv kan samarbejde på lige fod. Hvis det lykkes at skalere teknologien og kombinere den med anden 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 overkomme de tekniske forhindringer – og hvor grundigt vi overvejer de etiske konsekvenser af sådanne indgreb.
