Et elektronisk kredsløb, der taler hjernens sprog
Forskere ved University of Massachusetts har udviklet et elektronisk kredsløb, der ikke blot efterligner hjernens signaler – det fungerer også i et fugtigt miljø, præcis som det rigtige neuroner befinder sig i. Det lyder måske teknisk, men konsekvenserne er enorme.
Resultaterne, publiceret i tidsskriftet Nature Communications, kan fundamentalt ændre, hvordan vi behandler neurologiske sygdomme og designer elektronik inspireret af hjernen. For første gang har holdet fra Massachusetts opnået ægte tovejskommunikation mellem en kunstig og en biologisk neuron.
Hvordan hjernen egentlig fungerer
Hjernen er et tæt netværk af forbindelser. Ifølge data fra hjerneforskning består den af cirka 100 milliarder neuroner – nervceller specialiseret i at overføre information. Hver enkelt celle er opbygget af tre hoveddele: cellekroppen, dendritter og en axon.
Dendritterne opfanger signaler fra andre celler. Cellekroppen bearbejder dem, og axonen fungerer som et kabel, der sender elektriske impulser videre. På et splitsekund passerer millioner af sådanne impulser gennem hjernen – de styrer dine bevægelser, dine følelser og dine minder. Men systemet er skrøbeligt og sårbart over for skader.
Hvorfor det er et kæmpe problem, når neuroner dør
Problemerne starter, når neuroner holder op med at fungere eller dør. I modsætning til mange andre celletyper fornyer neuroner sig ikke let. Når de først er tabt, er de som regel væk for altid.
Skader på nervenetværket kan føre til en bred vifte af alvorlige helbredsproblemer, der drastisk påvirker livskvaliteten:
- Bevægelsesforstyrrelser, for eksempel Parkinsons sygdom
- Forstyrrelser i sanseopfattelse og virkelighedsoplevelse
- Alvorlige hukommelsesproblemer, som ved Alzheimers sygdom
- Nedsat kognitiv funktion og beslutningsevne
- Tab af kontrol over muskelbevægelser
- Problemer med tale og kommunikation
- Personlighedsændringer og forandret følelsesliv
Teknologi, der kan efterligne en neurons funktion så troværdigt, at hjernen “accepterer” den som sin egen, har derfor enorm potentiel betydning. Tidligere forsøg stødte dog igen og igen på det samme problem: de kunne ikke fungere i biologiske omgivelser, eller de sendte elektriske signaler, der var alt for kraftige til hjernens fine kemi.
Hvad neuromorfisk integration faktisk betyder
Den nye kunstige neuron fra Massachusetts passer ind i en bredere tendens kaldet neuromorfisk integration – altså at designe elektronik, der så præcist som muligt kopierer opbygningen og adfærden hos neuroner og synapser.
I stedet for klassisk, lineær databehandling som i traditionelle processorer forsøger neuromorfiske kredsløb at fungere som hjernen: parallelt, energibesparende og med korte impulser. I laboratorier verden over udvikles derfor specialiserede chips, kunstige synapser og nye transistortyper, der kan lære og tilpasse sig.
Hidtil har mange sådanne forsøg slået fejl på grund af utilstrækkelig biologisk kompatibilitet. Enheder virkede enten kun under tørre, sterile forhold, eller de sendte alt for kraftige elektriske signaler, der ikke passede til hjernens følsomme kemi. Holdet fra University of Massachusetts lykkedes med at overvinde disse barrierer.
Proteinnanofibre: nøglen til gennembruddet
Forskerne skabte en kunstig neuron, der kommunikerer med en ægte neuron på en måde, der ligner den naturlige proces meget. Desuden fungerer den i et fugtigt miljø svarende til det, nerveceller lever i. Nøglen viste sig at være proteinnanofibre – mikroskopiske ledere produceret af bakterier.
I naturen hjælper proteinnanofibre 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.
Proteinnanofibrene virker som fine, naturlige ledere, der “forstår” både elektronik og levende væv. Det er afgørende af to grunde. For det første kan en sådan kunstig neuron fysisk eksistere side om side med nerveceller uden at kræve sterile, tørre forhold. For det andet er den følsom nok til at arbejde ved spændinger tæt på dem, vores hjerne selv genererer.
Energiforbrug, der matcher den virkelige hjerne
Tidligere konstruktioner af kunstige neuroner krævede op til ti gange højere spænding end naturlige nerveceller. Det betød hundrede gange større energiforbrug og et signal, der var alt for kraftigt til, at biologien kunne modtage det korrekt.
Den nye komponent arbejder ved en spænding på omkring 0,1 volt – omtrent hvad en menneskelig neuron selv genererer. En af ingeniørerne beskrev tidligere versioner som råbende mennesker med megafon, der stormer ind i et stille forelæsningslokale. Den nye løsning opfører sig derimod som en person, der taler næsten hviskende og tilpasser sig omgivelserne.
Takket være dette dominerer den kunstige neuron ikke det biologiske system – den samarbejder faktisk med det. Vi har for første gang en reel chance for ægte tovejskommunikation: elektronikken aflæser signaler fra neuronen og sender svar tilbage i et “sprog”, neuronen forstår.
Hvad teknologien kan bruges til fremover
Jo lavere spænding og jo mindre energiforbrug, jo tættere kommer vi på elektronik, der opfører sig som væv frem for som et fremmedlegeme. Forskerne fra University of Massachusetts fremhæver, at netop dette aspekt i fremtiden kan muliggøre miniatureimplantater, der fungerer i årevis uden batteriskift.
En ny generation af neurologiske implantater kunne blive mere præcise, mindre invasive og bedre tilpasset hjernens signaler. Kunstige neuroner ville desuden kunne overtage noget af arbejdet fra tabte celler ved protesering af beskadigede hjerneområder.
Neuromorfiske processorer er et andet lovende anvendelsesområde. Elektroniske kredsløb inspireret af hjernen er markant mere energieffektive end klassiske CPU’er og GPU’er, hvilket gør dem attraktive til fremtidige computersystemer.
Bedre grænseflader mellem hjerne og computer kunne skabe mere skånsom kommunikation med neuroner sammenlignet med nuværende systemer, der bruger metalelektroder. Sådanne fremskridt kunne hjælpe lammede patienter med at styre proteser med tankerne, eller give mennesker med taleforstyrrelser mulighed for igen at kommunikere.
Udfordringer, der stadig venter
Der er dog stadig kun tale om ét enkelt element, der opfører sig lovende under laboratorieforhold. De næste udfordringer er tydelige: stabiliteten over længere tid skal verificeres, ligesom modstandsdygtighed over for temperaturudsving og kemiske variationer. Desuden skal forskerne afklare, hvordan man bedst forbinder flere sådanne kunstige neuroner med levende væv.
Det er værd at bemærke, at neuroner ikke blot er “kabler”, der leder impulser. Hver celle har sin egen kemi, sin egen stofskifte og reagerer på hormoner og stoffer fra omgivelserne. En kunstig neuron – selv en meget avanceret – efterligner foreløbig primært det elektriske lag. Derfor vil den i lang tid snarere fungere som støtte og protese end som en fuldgyldig erstatning for levende væv.
Hvad fremtiden bringer for kunstige neuroner
Hvis teknologien bevæger sig mod medicinske anvendelser, kan patienter med Parkinsons eller Alzheimers sygdom få helt nye terapeutiske redskaber. I stedet for blot at lindre symptomer ville læger få mulighed for delvis at gendanne funktioner fra tabte neuroner.
Grænseflader, der forbinder hjernen med elektronik, vækker altid både fascination og bekymring. På den ene side lokker visionen om at gendanne tabte funktioner. På den anden tvinger de os til at overveje grænserne for menneskelig modifikation – og hvem der skal forvalte så følsomme data som neural aktivitet. De etiske spørgsmål vil vokse i takt med teknologiens udvikling.
For dem, der følger kunstig intelligens tæt, kan dette emne virke fjernt – men der er en interessant forbindelse. Maskinlæring og neurale netværk i computere er kun symbolsk inspireret af biologi. Neuromorfisk integration forsøger at nærme sig den virkelige hjerne fra hardwarens side. Hvis disse to retninger begynder at flyde sammen, kan vi komme til at se helt nye typer intelligente enheder – ikke blot hurtige og smarte, men tættere på, hvordan vores eget nervesystem virker. Øjeblikkelige revolutioner bør man ikke forvente, men forskningens retning peger mod en fremtid, hvor grænsen mellem biologi og elektronik langsomt udviskes.
