Kunstig neuron kommunikerer med den menneskelige hjerne. Gennembrud fra USA

Forskere har skabt en elektronisk komponent, der taler hjernens sprog

Forskere fra University of Massachusetts har i tidsskriftet Nature Communications beskrevet et elektronisk kredsløb, der ikke blot efterligner hjernens signaler, men faktisk fungerer i et miljø, der ligner det, rigtige neuroner arbejder i. Det kan fundamentalt ændre tilgangen til behandling af neurologiske sygdomme og udviklingen af hjerne-inspireret elektronik.

Hvorfor neuroner er så vigtige – og så sårbare

Hjernen er et tæt netværk af forbindelser. Den består af omkring 100 milliarder nerveceller, også kaldet neuroner, der er specialiserede i at sende og modtage information. Hver neuron har tre hovedelementer: cellekroppen, dendritter og et axon.

Dendritterne indsamler signaler fra andre celler. Cellekroppen behandler dem, og axonet fungerer som en ledning, der sender den elektriske impuls videre til næste neuron. På et splitsekund passerer millioner af sådanne impulser gennem hjernen – og de styrer alt fra bevægelse til hukommelse og følelser.

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

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

I modsætning til mange andre celletyper regenererer neuroner sig ikke let. Når de først er gået tabt, er de typisk væk for altid. Det er netop derfor, at neurologi og biomedicinsk teknik i årevis har søgt måder at beskytte eller erstatte dem på.

En teknologi, der præcist nok kan efterligne en neurons arbejde til, at hjernen "anerkender" den som sin egen, er af helt afgørende betydning.

Hvad er neuromorfisk integration?

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

I stedet for klassisk, lineær databehandling som i traditionelle processorer forsøger neuromorfiske kredsløb at fungere mere som hjernen: parallelt, energieffektivt og med korte impulser. I laboratorier verden over udvikles derfor specialiserede chips, "kunstige synapser" og nye transistortyper, der kan lære og tilpasse sig.

Hidtil er mange af disse forsøg stødt på et afgørende problem: manglende biologisk kompatibilitet. Enhederne fungerede enten kun under alt for tørre og sterile forhold, eller de sendte for kraftige elektriske signaler, der ikke passede til hjernens delikate kemi.

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

Holdet fra University of Massachusetts rapporterer, at de har brudt 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, svarende til det, nerveceller normalt befinder sig i.

Hemmeligheden viste sig at være proteinnanowires – mikroskopiske ledninger produceret af bakterier. I naturen hjælper disse tråde 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.

Proteinnanowires fungerer som fine, naturlige ledninger, der "forstår" 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. For det andet er den følsom nok til at arbejde ved spændinger, der svarer til dem, vores hjerne selv producerer.

Energiforbrug som i en rigtig hjerne

Tidligere konstruktioner af kunstige neuroner krævede op til ti gange højere spænding end naturlige nerveceller. Det betød hundrede gange større energiforbrug og et alt for kraftigt signal, som biologien simpelthen ikke kunne fortolke korrekt.

Den nye komponent arbejder ved en spænding på cirka 0,1 volt – omtrent det samme som en menneskelig neuron genererer. En af ingeniørerne sammenlignede de tidligere versioner med en person, der råber i megafon midt i et stille forelæsningslokale. Den nye løsning opfører sig derimod som én, der taler dæmpet og tilpasser sin tone til omgivelserne.

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

Hvordan kan denne teknologi ændre medicin og elektronik?

At skabe én kunstig neuron betyder ikke, at en fuldt funktionel "kunstig hjernebark" dukker op i morgen. Men retningen er klar – jo bedre vi bliver til at bygge de enkelte komponenter, desto lettere bliver det at forbinde dem i større netværk.

Forskerne ser flere mulige anvendelsesområder:

• En ny generation af neurologiske implantater – mere præcise, mindre invasive og bedre tilpasset hjernens egne signaler;
• Erstatning af beskadigede hjerneregioner – kunstige neuroner kunne overtage en del af de funktioner, som tabte celler varetog;
• Neuromorfiske processorer – elektroniske kredsløb inspireret af hjernen, langt mere energieffektive end klassiske CPU'er og GPU'er;
• Bedre hjerne-computer-grænseflader – en finere kommunikation med neuroner end de nuværende systemer med metalelektroder kan tilbyde.

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

Jo lavere spændingen og energiforbruget er, 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: stabiliteten over tid skal undersøges, ligesom modstandsdygtigheden over for temperaturændringer, kemiske udsving og evnen til at fungere i et netværk med andre celler.

Forskerne skal desuden finde ud af, hvordan man bedst forbinder mange sådanne kunstige neuroner med levende væv – hvor mange der er brug for, 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 bør vi forberede os på?

Hvis teknologien udvikler sig i retning af medicinske anvendelser, kan patienter med Parkinsons eller Alzheimers sygdom få adgang til 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 side tvinger den os til at tænke over, hvor langt vi bør gå med at modificere mennesket – og hvem der i sidste ende skal råde over data som hjerneaktivitet.

Det er også værd at huske, at neuroner ikke bare er "kabler". Hver celle har sin egen kemi, sin egen stofskifteproces og reagerer på hormoner og stoffer i omgivelserne. En kunstig neuron – selv en meget avanceret én – efterligner foreløbig primært det elektriske lag. Derfor vil den i lang tid fremover fungere som støtte og protese snarere end som en fuldgyldig erstatning for levende væv.

For dem, der følger udviklingen inden for kunstig intelligens, kan dette emne virke fjernt. Men der er en interessant bro her. Maskinlæring og neurale netværk i computere er kun symbolsk inspireret af biologi. Neuromorfisk integration forsøger at nærme sig den rigtige hjerne fra hardwaresiden. Hvis disse to retninger begynder at mødes, kan vi komme til at se helt nye typer "intelligente" enheder – ikke blot hurtige og smarte, men tættere på den måde, vores eget nervesystem faktisk fungerer på.