Kunstigt neuron kommunikerer med den menneskelige hjerne. Gennembrud fra USA

Et elektronisk kredsløb, der taler hjernens sprog

Forskere fra University of Massachusetts har beskrevet et elektronisk system i Nature Communications, som ikke blot efterligner hjernens signaler – det fungerer også i et miljø, der ligner det, rigtige neuroner arbejder i. Det kan grundlæggende ændre måden, vi behandler neurologiske sygdomme på og designer hjerneinspiret elektronik.

Hvorfor neuroner er så vigtige og så sårbare

Hjernen er et tæt netværk af forbindelser. Ifølge data fra hjerneforskningsinstitutter består den af omkring 100 milliarder neuroner – specialiserede nerveceller, der videresender information. Hver celle er opbygget af tre hovedelementer: cellekroppen, dendritter og en axon.

Dendritterne opsamler signaler fra omkringliggende celler. Cellekroppen behandler disse signaler, mens axonen fungerer som en ledning, der sender den elektriske impuls videre til næste neuron. På et splitsekund passerer millioner af sådanne impulser gennem hjernen – de styrer vores bevægelser, følelser og minder.

Problemerne opstår, når neuroner holder op med at fungere eller dør. Skader i nervenetværket kan føre til:

• bevægelsesforstyrrelser som Parkinsons sygdom,
• forstyrrelser i sansning og perception,
• alvorlige hukommelsesproblemer som ved Alzheimers sygdom.

I modsætning til mange andre celletyper fornyer neuroner sig ikke let. Når de er gået tabt, er de som regel væk for altid. Netop derfor har neurologi og biomedicinsk ingeniørkunst i årtier søgt metoder til at beskytte eller erstatte dem.

Teknologi, der præcist nok kan efterligne en neurons arbejde til, at hjernen accepterer den som sin egen, er af helt særlig betydning.

Hvad er neuromorfisk integration?

Det nye kunstige neuron fra Massachusetts indgår i en bredere tendens kaldet neuromorfisk integration. Tanken er at designe elektronik, der så troværdigt som muligt kopierer neuronernes og synapsernes struktur og adfærd.

I stedet for klassisk, lineær databehandling som i traditionelle processorer forsøger neuromorfiske kredsløb at arbejde mere som hjernen: parallelt, energibesparende og ved hjælp af korte impulser. I laboratorier rundt om i verden udvikles der specialchips, kunstige synapser og nye transistortyper, der kan lære og tilpasse sig.

Mange tidligere forsøg er strandet på manglende biologisk kompatibilitet. Enhederne virkede enten kun under for tørre og sterile forhold, eller de sendte for kraftige elektriske signaler, der ikke passede til hjernens delikate kemi.

Det nye kunstige neuron: stille, energibesparende og "vådt"

Holdet fra University of Massachusetts rapporterer, at de har brudt disse barrierer. Deres kunstige neuron kan kommunikere med et rigtigt neuron på en måde, der er meget tæt på den naturlige – og den arbejder desuden i et fugtigt miljø, der ligner det, nerveceller normalt befinder sig i.

Nøglen viste sig at være proteinnanofibre – mikroskopiske ledninger 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 nerveceller.

Proteinnanofibre fungerer som fine, naturlige ledninger, der kommunikerer både med elektronik og med levende væv.

Det er vigtigt af to grunde. For det første kan et sådant kunstigt neuron fysisk sameksistere med nerveceller uden at kræve sterile, tørre forhold. For det andet er det følsomt nok til at arbejde ved spændinger, der svarer til dem, vores hjerne genererer.

Energiforbrug som i en rigtig hjerne

Tidligere konstruktioner af kunstige neuroner krævede op til ti gange højere spænding end naturlige nerveceller. Det resulterede i hundrede gange større energiforbrug og et signal, der var alt for kraftigt til, at biologien kunne modtage det korrekt.

Det nye element arbejder ved en spænding på cirka 0,1 volt – omtrent det samme som et menneskeligt neuron genererer. En af ingeniørerne sammenlignede tidligere versioner med en råber med megafon, der stormede ind i en stille forelæsningssal. Den nye løsning opfører sig snarere som én, der taler dæmpet og tilpasser tonen til omgivelserne.

Dermed dominerer det kunstige neuron ikke det biologiske system – det spiller faktisk sammen med det. For første gang er der reel mulighed for tovejskommunikation: elektronikken aflæser signaler fra neuronet og sender et svar tilbage på et "sprog", neuronet forstår.

Hvordan denne teknologi kan forandre medicin og elektronik

Skabelsen af ét kunstigt neuron betyder ikke, at en fuldt fungerende kunstig hjernebarke er lige rundt om hjørnet. Retningen er dog klar – jo bedre vi lærer at bygge de enkelte elementer, desto lettere bliver det at koble dem sammen i større netværk.

Forskerne ser flere mulige anvendelser:

• En ny generation af neurologiske implantater – mere præcise, mindre invasive og bedre tilpasset hjernens signaler.
• Protesering af beskadigede hjerneområder – kunstige neuroner kunne overtage nogle af de opgaver, tabte celler tidligere varetog.
• Neuromorfiske processorer – hjerneinspirede elektroniske kredsløb, der er langt mere energibesparende end klassiske CPU'er og GPU'er.
• Bedre hjerne-computer-grænseflader – en mere subtil kommunikation med neuroner end i nuværende systemer baseret på metalelektroder.

Ved at arbejde ved spændinger tæt på det biologiske niveau åbner sådanne kredsløb vejen for miniature, energivenlige medicinske enheder, der kan bæres i kroppen i årevis.

Jo lavere spænding og jo mindre energiforbrug, desto tættere er vi på elektronik, der opfører sig som væv – ikke som et fremmedlegeme.

Hvad sker der videre med forskningen i kunstige neuroner?

Foreløbig har vi ét enkelt element, der opfører sig lovende under laboratorieforhold. De næste udfordringer er oplagte: man skal undersøge neuronets stabilitet over længere tid, dets modstandsdygtighed over for temperaturudsving og kemiske fluktuationer samt dets evne til at fungere i et netværk med andre celler.

Forskerne skal desuden fastslå, hvordan man bedst forbinder mange sådanne kunstige neuroner med levende væv: hvor mange der er behov for, i hvilke mønstre, og hvordan man styrer deres "læring". Her er der ikke blot tale om ingeniørkunst – etiske spørgsmål om grænserne for indgreb i hjernen vil blive stadig mere presserende.

Muligheder og risici: hvad bør vi allerede nu forholde os til?

Hvis teknologien bevæger sig mod medicinske anvendelser, kan patienter med Parkinson eller Alzheimer få helt nye behandlingsredskaber. I stedet for blot at lindre symptomer ville læger få mulighed for delvist at genopbygge funktioner fra tabte neuroner.

Grænseflader, der forbinder hjernen med elektronik, skaber altid en spænding mellem fascination og frygt. På den ene side lokker visionen om at genskabe tabte funktioner. På den anden tvinger de os til at tænke over grænserne for menneskelig modifikation og spørgsmålet om, hvem der skal forvalte så følsomme data som neural aktivitet.

Det er også værd at huske, at neuroner ikke blot er "ledninger", der leder impulser. Hver celle har sin egen kemi, sit eget stofskifte og reagerer på hormoner og stoffer i omgivelserne. Et kunstigt neuron – selv et meget avanceret – efterligner foreløbig primært det elektriske lag. Derfor vil det i lang tid snarere fungere som støtte og protese end som en fuldgyldig erstatning for levende væv.

For dem, der følger AI-udviklingen, kan dette emne virke fjernt – men der er en interessant bro her. Maskinlæring og neurale netværk i computere lader sig kun symbolsk inspirere af biologi. Neuromorfisk integration forsøger at nærme sig den virkelige hjerne fra hardwaresiden. Hvis disse to retninger begynder at smelte sammen, kan vi se helt nye typer af "intelligente" enheder: ikke kun hurtige og smarte, men også tættere på den måde, vores eget nervesystem fungerer på.