Kunstig neuron kommunikerer med den menneskelige hjerne. Gennembrud fra USA

Hvorfor neuroner er så vigtige – og så sårbare

Forskere fra University of Massachusetts har i Nature Communications beskrevet et elektronisk kredsløb, der ikke blot efterligner hjernens signaler, men også fungerer i et miljø meget lig det, som rigtige neuroner arbejder i. Det kan fundamentalt ændre tilgangen til behandling af neurologiske sygdomme og udviklingen af hjerneinspireret elektronik.

Hjernen er et tæt netværk af forbindelser. Den består af omkring 100 milliarder neuroner – nerveceller der er specialiserede i at videresende information. Hver celle er opbygget af tre hovedelementer: cellekroppen, dendritter og en axon.

Dendritterne indsamler signaler fra andre celler. Cellekroppen behandler dem, og axonen fungerer som en ledning, der sender den elektriske impuls videre til næste neuron. På en brøkdel af et sekund 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 først er tabt, er de som regel borte for altid. Netop derfor har neurologi og biomedicinsk ingeniørkunst i årevis søgt metoder til at beskytte eller erstatte dem.

Teknologi, der kan efterligne en neurons funktion så troværdigt, at hjernen "accepterer" den som sin egen, har særlig stor betydning.

Hvad er neuromorfisk integration?

Den nye kunstige neuron fra Massachusetts indgår i en bredere tendens kaldet neuromorfisk integration. Det handler om at designe elektronik, der så præcist som muligt kopierer strukturen og adfærden hos neuroner og synapser.

I stedet for klassisk, lineær databehandling som i traditionelle processorer forsøger neuromorfiske kredsløb at arbejde mere som hjernen: parallelt, energieffektivt og ved hjælp af korte impulser. I laboratorier udvikles derfor specialiserede chips, kunstige synapser og nye transistortyper, der lærer og tilpasser sig.

Hidtil er mange sådanne forsøg strandet på grund af manglende biologisk kompatibilitet. Enhederne fungerede enten under alt for tørre og sterile forhold, eller de sendte alt for stærke elektriske signaler, der ikke passede til hjernens fine kemi.

Den nye kunstige neuron: stille, energibesparende og "fugtig"

Holdet fra University of Massachusetts rapporterer, at de har overvundet disse barrierer. Deres kunstige neuron kan kommunikere med en ægte neuron på en måde, der ligger meget tæt på det naturlige – og den fungerer desuden i et fugtigt miljø, der ligner det, nerveceller lever 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 neuroner.

Proteinnanofibre fungerer som fine, naturlige ledninger, der "taler" med både elektronik og levende væv på samme tid.

Det er vigtigt af to grunde. For det første kan en sådan kunstig neuron fysisk sameksistere med nerveceller uden at kræve sterile, tørre betingelser som mange klassiske kredsløb. For det andet er den følsom nok til at arbejde ved spændingsniveauer tæt på dem, hjernen selv 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 et hundrede gange større energiforbrug og et signal, der var alt for kraftigt – så kraftigt, at biologien simpelthen ikke opfattede det korrekt.

Det nye element arbejder ved en spænding på cirka 0,1 volt – omtrent det samme, som en menneskelig neuron genererer. En af ingeniørerne beskrev det sådan: tidligere versioner var som en råber med megafon, der marcherer ind i et stille auditorium. Den nye løsning opfører sig derimod som en person, der taler dæmpet og afpasser sin tone efter omgivelserne.

Dermed dominerer den kunstige neuron ikke det biologiske system – den samspiller faktisk med det. For første gang er der reel mulighed for en ægte tovejskommunikation: elektronikken aflæser signaler fra neuronen og sender et svar tilbage i et "sprog", den forstår.

Hvordan denne teknologi kan forandre medicin og elektronik

At skabe én kunstig neuron betyder naturligvis ikke, at en fuldt fungerende kunstig hjernebark er lige rundt om hjørnet. Men retningen er klar – jo bedre vi bliver til 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 tilpasset hjernens signaler;
• Protesering af beskadigede hjerneområder – kunstige neuroner kunne overtage en del af de opgaver, som tabte celler varetog;
• Neuromorfiske processorer – elektroniske kredsløb inspireret af hjernen, der er langt mere energieffektive end klassiske CPU'er og GPU'er;
• Bedre hjerne-computer-grænseflader – mere subtil kommunikation med neuroner end de nuværende systemer med metalelektroder.

Ved at arbejde med spændinger tæt på de biologiske åbner sådanne kredsløb vejen for miniature, energibesparende medicinske enheder, der kan bæres i kroppen i årevis.

Jo lavere spændingen er og jo mindre energi der forbruges, desto tættere kommer vi på elektronik, der opfører sig som væv – ikke som et fremmedlegeme.

Hvad sker der nu med forskningen i kunstige neuroner?

Foreløbig har vi ét enkelt element, der opfører sig lovende under laboratorieforhold. De næste udfordringer er åbenlyse: man skal teste neurolets stabilitet over længere tid, dets modstandsdygtighed over for temperaturændringer, kemiske udsving og evnen til at arbejde i netværk med andre celler.

Forskerne vil også skulle fastslå, hvordan man bedst forbinder mange kunstige neuroner med levende væv – hvor mange der behøves, i hvilke mønstre, og hvordan man styrer deres "indlæring". Det handler ikke kun om ingeniørkunst, men også om etik. Spørgsmål om grænserne for indgreb i hjernen vil blive stadig mere presserende.

Muligheder og risici: hvad skal vi forberede os på?

Hvis teknologien bevæger sig i retning af medicinske anvendelser, kan Parkinson- og Alzheimer-patienter få helt nye terapeutiske redskaber. 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 gendanne tabte funktioner. På den anden tvinger den os til at tænke over grænserne for menneskelig modifikation – og over hvem der skal forvalte så følsomme data som neuronal aktivitet.

Det er også værd at huske, at neuroner ikke blot er "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. Derfor vil den i lang tid fremover snarere fungere som støtte og protese end som en fuldgyldig erstatning for levende væv.

For dem, der følger udviklingen inden for AI, kan emnet virke fjernt – men der er en interessant bro her. Maskinlæring og neurale netværk i computere henter kun symbolsk inspiration fra biologien. Neuromorfisk integration forsøger at nærme sig den rigtige hjerne fra hardwaresiden. Hvis disse to retninger begynder at smelte sammen, kan vi komme til at se helt nye typer af "intelligente" enheder: ikke blot hurtige og smarte, men også tættere på måden, vores eget nervesystem faktisk fungerer på.