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, men også fungerer i et miljø der minder om det, rigtige neuroner arbejder i. Det kan fundamentalt ændre tilgangen til behandling af neurologiske sygdomme og udviklingen af hjerneinspirede elektroniske komponenter.

Hvorfor neuroner er så vigtige og så sårbare

Hjernen er et tæt netværk af forbindelser. Ifølge tal fra hjerneforskningsinstitutter består den af cirka 100 milliarder neuroner — specialiserede nerveceller, der er skabt til at videresende information. Hver enkelt celle er opbygget af tre centrale dele: cellekroppen, dendritterne og axonen.

Dendritterne opsamler signaler fra andre celler. Cellekroppen bearbejder disse signaler, mens axonen fungerer som en ledning, der sender den elektriske impuls videre til de næste neuroner. På et splitsekund passerer millioner af sådanne impulser gennem hjernen — de styrer alt fra vores bevægelser til vores følelser og erindringer.

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 tabt, er de som regel væk for altid. Netop derfor har neurologi og biomedicinsk ingeniørkunst i årevis søgt måder at beskytte eller erstatte dem på.

Teknologi der troværdigt kan efterligne en neurons arbejde — så præcist 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. Idéen er at designe elektronik, der så tæt 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, energiøkonomisk og ved hjælp af korte impulser. I laboratorier verden over udvikles derfor særlige chips, "kunstige synapser" og nye transistortyper, der kan lære og tilpasse sig.

Mange af disse forsøg er tidligere strandet på manglende biologisk kompatibilitet. Enhederne fungerede enten kun under alt for tørre og sterile forhold, eller de sendte alt for kraftige elektriske signaler, som ikke passede til hjernens sarte kemi.

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

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

Nøglen var såkaldte 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, som kan nedsænkes i en opløsning svarende til den væske, der omgiver neuroner.

Proteinnanofibre 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 et sådant kunstigt neuron fysisk sameksistere med nerveceller uden at kræve sterile, tørre omgivelser, som mange klassiske systemer gør. For det andet er det følsomt nok til at arbejde ved spændinger, der svarer til dem, vores hjerne selv genererer.

Energi 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 signaler, der var alt for kraftige til at blive korrekt aflæst af biologisk væv.

Det nye element arbejder ved en spænding på cirka 0,1 volt — omtrent det samme, som et menneskeligt neuron genererer. En af ingeniørerne beskrev det på denne måde: tidligere versioner lignede en person med megafon, der marcherer ind i et stille forelæsningslokale. Den nye løsning opfører sig mere som én, der taler dæmpet og tilpasser tonen til omgivelserne.

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

Hvordan denne teknologi kan forandre medicin og elektronik

At skabe ét enkelt kunstigt neuron betyder selvfølgelig ikke, at en fuldt fungerende "kunstig hjernebark" er lige om hjørnet. Retningen er dog klar — jo bedre vi lærer at bygge de enkelte elementer, jo 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 egne signaler.
• Protesering af beskadigede hjerneområder — kunstige neuroner kunne overtage dele af de funktioner, der er gået tabt.
• Neuromorfiske processorer — elektroniske kredsløb inspireret af hjernen, der er langt mere energieffektive end traditionelle CPU'er og GPU'er.
• Bedre hjerne-computer-grænseflader — en mere subtil kommunikation med neuroner end de nuværende systemer med metalelektroder.

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

Jo lavere spænding og jo mindre energiforbrug, desto tættere kommer vi på elektronik, der opfører sig som væv frem for som et fremmed legeme.

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 indlysende: stabiliteten af neuronen skal testes over længere tid, ligesom dens modstandsdygtighed over for temperaturændringer, kemiske udsving og evnen til at fungere i et netværk med andre celler.

Forskerne skal også finde ud af, hvordan man bedst forbinder mange kunstige neuroner med levende væv — hvor mange der behøves, i hvilke mønstre og hvordan man styrer deres "læring". Det handler ikke kun om ingeniørkunst, men også om etik — spørgsmål om grænser for indgreb i hjernen vil blive stadig mere presserende.

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

Hvis teknologien bevæger sig mod medicinske anvendelser, kan patienter med Parkinson og Alzheimer 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 frister de med visionen om at genskabe tabte funktioner. På den anden tvinger de os til at tænke over grænserne for menneskelig modifikation — og over hvem der i givet fald 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. Et kunstigt neuron — selv et meget avanceret et — 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 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 se helt nye typer af "intelligente" enheder — ikke blot hurtige og smarte, men tættere på den måde vores eget nervesystem faktisk fungerer på.