Et miniature elektronisk kredsløb opfører sig som en levende nervecelle og fungerer sammen med den under identiske fugtige laboratorieforhold. Forskere fra Massachusetts har udviklet den første kunstige neuron, der matcher biologiske cellers signalstyrke.
Menneskets hjerne består af cirka 100 milliarder neuroner. Hver enkelt er en specialiseret celle med en cellekrop, forgrenede dendritter og en lang udløber kaldet axon. Neuronen modtager stimuli gennem dendritterne, bearbejder dem i cellekroppen og sender dem videre som elektriske impulser langs axonet.
Når nogle af disse celler holder op med at fungere, mærker kroppen det meget hurtigt. Der opstår bevægelsesforstyrrelser som ved Parkinsons sygdom, sensoriske problemer eller hukommelsestab forbundet med Alzheimers sygdom. Problemet er, at nerveceller i den voksne hjerne praktisk talt ikke regenererer sig. En ødelagt neuron er i princippet tabt for altid.
Medicinen har i årevis søgt efter måder at erstatte disse tab. Celleterapi, medicin, dyb hjernestimulation – alt sammen kun delvise løsninger. I dette puslespil har der længe manglet et element, der opfører sig som en levende neuron, men er bygget af mennesker.
Hvorfor er neuroner så svære at erstatte elektronisk
Parallelt med medicinsk forskning udvikles neuromorf integration – et felt, der forsøger at genskabe måden neuroner og synapser fungerer på i form af fysiske elektroniske kredsløb. Ideen er at bygge processorer, der ligner hjernens neurale netværk, i stedet for klassiske transistorer og simpelt “0/1”.
Denne tilgang er nyttig inden for to områder. For det første gør den det muligt at forstå hjernens funktion gennem mekanisk genopbygning. For det andet giver den mulighed for nye generationer af AI-chips, der ikke bare er hurtigere, men også langt mere energieffektive end nutidens grafikkort.
Neuromorfe elektronik forsøger at komme tættere på selve kilden til intelligens – i stedet for kun at simulere hjernen i software, efterligner den dens fysiske konstruktion. Tidligere kunstige neuroner havde dog en grundlæggende fejl: de arbejdede for “højlydt”. Deres signaler var for stærke sammenlignet med biologiske nervecellers delikate impulser. Forsøg på at kombinere disse to verdener endte med, at præcis information druknede i overskydende energi.
Gennembrud fra Massachusetts: kunstig neuron der ikke råber
Et team fra University of Massachusetts beskrev i tidsskriftet Nature Communications en kunstig neuron, der opfører sig meget tættere på sin menneskelige model. Nøglen ligger i, at den kan overføre impulser med en spænding på kun cirka 0,1 volt – altså på niveau med typiske nerveceller.
Tidligere konstruktioner krævede op til ti gange højere spænding og hele hundrede gange mere strøm. Sådan en forskel gjorde meningsfuld “dialog” med rigtige neuroner praktisk umulig. Det nye kredsløb blev designet til at tilpasse sig nervevævets delikate fysiologi i stedet for at overdøve det.
Det mest interessante ved dette projekt er, at den kunstige neuron ikke dominerer over den biologiske – den falder ind i dens rytme og samarbejder på lignende vilkår. Forskerne brugte proteinbaserede nanofibre til at bygge denne neuron. Det er utroligt tynde ledere, produceret af bakterier, som naturligt bruger dem til at hæfte sig til overflader og overføre elektroner.
Sådanne strukturer har flere væsentlige fordele:
- De leder strøm godt ved meget lave spændinger
- De er stabile i fugtige miljøer, ligesom dem neuroner lever i
- De er lette at integrere med delikat biologisk væv
- De produceres naturligt af bakterier som Geobacter
- De kan fungere som broer mellem silicium og levende celler
- De kræver minimal energi til signaltransmission
- De matcher biologiske neuroners tidsskala
I praksis byggede forskerne et kredsløb af disse nanofibre, der genererer impulser med karakteristika tæt på elektriske udladninger i hjernen. Derefter kombinerede de det med rigtige neuroner i et laboratoriemiljø og observerede signalflow mellem begge typer celler – den biologiske og den kunstige.
Hvad lykkedes forskerne præcist at opnå
I eksperimentet var tre elementer afgørende: realistisk signalamplitude, stabilitet i fugtigt miljø og tovejskommunikation. Det handlede ikke kun om, at den kunstige neuron kunne “sende”, men også reagere på signaler fra biologiske celler.
Forskerne beskrev, at deres konstruktion ikke bare sendte impulser inden for det acceptable område for biologiske neuroner, men også opretholdt funktionel stabilitet over tid. Det er et signal om, at sådanne kredsløb en dag kan placeres direkte ved nervevæv uden risiko for øjeblikkelig celleskade.
Doktor Yao Jun fra teamet forklarede, at de brugte Geobacter-bakteriers naturlige evne til at producere ledende nanofibre. Disse mikroorganismer er kendt fra miljøforskning, hvor de bruges til at rense forurenet jord. Nu viser det sig, at deres proteinstrukturer også kan fungere som komponenter i neuromorf elektronik.
Mulige anvendelser fra hjernebehandling til nye AI-processorer
Hvis yderligere studier bekræfter denne teknologis effektivitet, kan kunstige neuroner i fremtiden fungere som “plaster” i beskadigede hjerne- eller rygmarvskredse. Teoretisk ville det være muligt at indsætte sådan et kredsløb, hvor naturlige celler er døde, og forsøge at genoprette informationsflowet.
Denne løsning interesserer især neurologer, der arbejder med Parkinsons sygdom, hovedtraumer eller rygmarvsskader. I stedet for udelukkende at stimulere hjernen med impulser udefra, ville det være muligt at supplere den med manglende elementer, der samarbejder med eksisterende væv.
Hvis kunstige neuroner begynder at “flette sig ind” i beskadigede netværk i hjernen, kan rehabilitering efter alvorlige traumer se helt anderledes ud end i dag. Professor Maria Asplund fra Chalmers Tekniske Universitet, der forsker i bioelektronik, påpeger at grænsefladen mellem silicium og biologisk væv længe har været udfordringen.
Den anden lige så vigtige retning er udvikling af neuromorfiske chips til kunstig intelligens. Kredsløb bygget af sådanne neuroner ville bruge minimale mængder energi, og deres funktion ville ligne biologiske neurale netværk. Det kan bryde begrænsningerne hos nuværende processorer, der ved enorme sprogmodeller eller billedgenkendelsessystemer simpelthen overophedes og sluger strøm.
Selskaber som Intel og IBM har allerede udviklet neuromorfiske chips som Loihi og TrueNorth, men disse bruger traditionelle halvledere. Proteinbaserede løsninger fra Massachusetts kunne repræsentere næste generation med endnu bedre energieffektivitet.
Hvad skal stadig undersøges før klinisk brug
Vejen til kliniske anvendelser er dog lang. Man skal undersøge, hvordan sådanne kunstige neuroner opfører sig i kontakt med rigtigt væv over længere tid, om de fremkalder inflammation, og hvordan immunsystemet reagerer på dem. Der vil også være behov for tests i dyremodeller, før nogen tænker på mennesker.
Inden for elektronik er problemet anderledes: masseproduktion af så komplekse kredsløb baseret på protein-nanofibre. I dag er det stadig en meget eksperimentel løsning. Man skal finde en måde at fremstille sådanne strukturer billigt, reproducerbart og under industrielle forhold.
For den almindelige bruger kan begrebet “kunstige neuroner” lyde abstrakt, men effekterne vil være meget håndgribelige: mere effektive neurologiske terapier, mere intelligent forbrugerelektronik eller systemer, der understøtter sanser som hørelse eller syn hos personer med organskader.
Det er også værd at huske den etiske side. Jo tættere elektronikken kommer på grænsen for direkte kontakt med hjernen, desto mere skal man tænke på privatliv for neuronale data, implantaternes sikkerhed og kontrol over, hvem der kan påvirke sådanne kredsløbs funktion. En kunstig neuron, der kan “tale” med vores nerveceller, er et fascinerende værktøj, men også et enormt ansvar.
