En banebrydende elektronisk mekanisme, der formår at efterligne vores hjernes komplekse signaler, er for nylig blevet præsenteret af forskere fra University of Massachusetts i det anerkendte tidsskrift Nature Communications. Denne bemærkelsesværdige teknologi fungerer i et miljø, der minder utroligt meget om det, ægte nerveceller opererer i til daglig.
Dette teknologiske kvantespring kan fundamentalt ændre, hvordan vi behandler neurologiske lidelser, og inspirere fremtidens elektronikdesign. For allerførste gang har et forskerhold formået at etablere ægte, tovejs kommunikation mellem en kunstig nervecelle og levende nervevæv.
Ifølge data fra Brain Institute består vores hjerne af et massivt, tætpakket netværk med omkring 100 milliarder neuroner. Disse vitale nerveceller har specialiseret sig i lynhurtig informationsdeling, og de er hver især opbygget af tre primære komponenter: cellekroppen, dendritterne samt axonet.
Dendritternes opgave er at indsamle signaler fra nærliggende celler, hvorefter cellekroppen behandler dataene. Axonet fungerer derefter som en lynsnar leder, der skyder elektriske impulser videre ud i systemet. Hvert eneste splitsekund suser der millioner af disse livsvigtige impulser gennem hjernen, hvilket danner hele grundlaget for vores bevægelser, følelser og hukommelse. Hvis disse neuroner beskadiges eller går til grunde, opstår der hurtigt alvorlige brud i nervesystemets finmekanik.
Hvorfor nerveceller er både vitale og ekstremt skrøbelige
Udfordringerne melder sig for alvor, når nervecellerne stopper med at fungere optimalt eller helt dør hen. I modsætning til mange andre af kroppens celletyper, har neuroner nemlig ufatteligt svært ved at regenerere. En beskadiget nervestruktur kan medføre dramatiske fald i patienters livskvalitet.
Gennem årtier har eksperter inden for biomedicinsk ingeniørvidenskab og neurologi derfor jagtet metoder til at bevare eller udskifte disse uerstattelige celler, da mistede neuroner som oftest er gået tabt for altid. Skader på nervebanerne kan resultere i en lang række alvorlige komplikationer:
- Bevægelsesforstyrrelser, herunder Parkinsons sygdom
- Problemer med sanseindtryk og overordnet perception
- Kritiske hukommelsestab, som man ser det ved Alzheimers sygdom
- Motoriske udfordringer og tab af muskelfunktion
- Progressiv nedbrydning af det vitale nervevæv
- Kroniske og invaliderende neurologiske lidelser
Netop derfor er udviklingen af teknologi, som troværdigt kan kopiere neuroners adfærd – så hjernen opfatter dem som sine egne – helt afgørende. Et hold forskere fra USA har nu præsenteret et innovativt design, der for alvor bringer denne vision tættere på virkeligheden.
Hvad indebærer neuromorfisk integration?
Den nyudviklede kunstige celle fra Massachusetts er en del af en spændende videnskabelig bevægelse kaldet neuromorfisk integration. Dette koncept går ud på at forme fremtidens elektronik, så den spejler strukturen og dynamikken i biologiske synapser og neuroner. Målet er at overgå de massive begrænsninger, der præger traditionel hardware.
Hvor almindelige processorer behandler data stift og lineært, stræber neuromorfiske kredsløb efter at efterligne hjernens arbejdsgang: parallelt, utroligt energieffektivt og via lynhurtige pulser. I moderne laboratorier udvikles der konstant nye, intelligente mikrochips og tilpasningsdygtige transistorer, som proaktivt kan lære af deres omgivelser.
Tidligere har mange af disse forsøg dog fejlet markant, da de ganske enkelt manglede biologisk kompatibilitet. Enten krævede enhederne klinisk tørre miljøer, eller også udsendte de massive elektriske stød, der slet ikke stemte overens med hjernens sarte biokemi. Forskerholdet fra University of Massachusetts har imidlertid knækket koden og fundet en vej uden om netop disse barrierer.
Støjsvag, yderst effektiv og designet til fugtige miljøer
Udfordringerne med at forene maskine og biologi er nu officielt brudt ned, meddeler ingeniørerne bag projektet. Deres nyskabende konstruktion kan udveksle informationer med en rigtig nervecelle på en utrolig organisk måde, og vigtigst af alt foregår dette i et fugtigt miljø, der spejler kroppens egne væsker.
Hemmeligheden bag denne succes ligger i mikroskopiske proteinnanotråde, som er naturligt frembragt af bakterier. I naturen bruger bakterierne disse tråde til at binde sig fast og udveksle elektroner. Denne geniale egenskab har forskerne udnyttet til at bygge en ledende struktur, der uden problemer kan nedsænkes i en væske, som simulerer hjernevæsken.
Disse organiske nanotråde fungerer som sarte, naturlige kabler, der let interagerer med både levende væv og elektroniske komponenter. Det rummer to enorme fordele. For det første eliminerer det behovet for sterile, tørre arbejdsbetingelser, så elektronikken faktisk kan leve side om side med hjernens egne celler.
For det andet er modtageligheden exceptionelt finjusteret. Mens tidligere prototyper agerede som en råbende person med en megafon i en stille foredragssal, fungerer det nye system snarere som en diskret samtalepartner, der dæmper sin hvisken, så det passer til de rolige omgivelser.
Energiforbrug på niveau med en ægte hjerne
Ældre generationer af syntetiske nerveceller trak op til ti gange så meget spænding som kroppens egne celler. Dette resulterede i et gigantisk energiforbrug og overvældende signaler, der var så dominerende, at den menneskelige biologi umuligt kunne modtage dem rigtigt. En drastisk reduktion af dette krav var derfor fundamentalt.
Den nye teknologi opererer i dag med en spænding på blot 0,1 volt, hvilket stort set modsvarer det niveau, naturlige neuroner selv arbejder med. Dermed overskygger maskinen ikke det biologiske økosystem, men indgår i stedet i et symbiotisk samarbejde, der for første gang nogensinde muliggør sand tovejskommunikation.
Elektronikken læser nemlig cellens biokemiske udsving og returnerer et svar i en frekvens, som hjernen forstår direkte. Ved at operere med så lav spænding åbnes der op for bittesmå, strømbesparende medicinske apparater, der uden problemer vil kunne opholde sig i kroppen i mange år frem. Jo lavere spænding og energibehov enheden kræver, jo mere begynder den at fungere som integreret væv frem for at blive betragtet som et farligt fremmedlegeme.
Fremtidens medicin og elektronik står over for en revolution
At vi har fremstillet en enkelt velfungerende celle i et lukket miljø, betyder naturligvis ikke, at vi kan udskrive en komplet, kunstig hjernebark i morgen. Den generelle kurs er dog helt tydelig. Efterhånden som vi mestrer skabelsen af disse individuelle byggeklodser, bliver det hurtigt lettere at flette dem sammen i omfattende, selvstændige netværk.
Fremtidige neurologiske implantater vil kunne designes til at være ekstremt præcise og skånsomme, mens de glidende tilpasser sig de specifikke hjernesignaler. Samtidig vil processorer baseret på neuromorfisk teknologi kunne fungere bemærkelsesværdigt mere strømbesparende end de klassiske CPU– og GPU-komponenter, vi er afhængige af i dag.
Desuden rummer mere raffinerede forbindelser mellem avanceret teknologi og menneskesindet et gigantisk potentiale for patienter på verdensplan:
- Ekstremt præcise implantater med minimeret kirurgisk indgriben
- Direkte proteseudskiftning af væv i beskadigede hjerneregioner
- Højtydende og energieffektive neuromorfiske chipsæt
- Langt mere subtil og organisk cellekommunikation i forhold til gamle metalelektroder
- Kompakte, medicinske løsninger beregnet til permanent indoperering
- Innovative terapeutiske hjælpemidler rettet specifikt mod Parkinsons sygdom
- Banebrydende metoder og behandlingsformer mod Alzheimers sygdom
- Avancerede grænseflader, der brobygger computerkraft direkte med hjernen
Når vi formår at bygge systemer, der lægger sig op ad kroppens eget spændingsniveau, skaber vi et massivt paradigmeskift inden for medicinsk hardware. Gennem en lavere energiprofil rykker vi nemlig tættere på indgreb, der respekterer og integrerer sig i vores biologi.
Næste skridt i forskningen af syntetiske hjerneceller
Lige nu befinder vi os stadiet, hvor en isoleret komponent leverer lovende resultater i laboratoriets beskyttede omgivelser. Næste fase på rejsen byder dog på benhårde udfordringer. Først og fremmest skal den syntetiske celles holdbarhed stresstestes over lange forløb. Samtidig skal eksperterne bekræfte dens modstandsdygtighed over for temperatursvingninger, uforudsete kemiske ændringer og dynamisk netværksdrift med millioner af andre celler.
Ingeniører og biologer mangler desuden at afklare præcist, hvordan store, kunstige klynger bedst muligt snakker sammen med de naturskabte nervebaner. Udover ren teknisk videnskab, skubber opfindelsen os også ud i komplekse, etiske farvande – for hvor trækker vi grænsen, når det gælder permanent modifikation af den menneskelige hjerne?
Når denne forskning ender i håndgribelige kliniske metoder, står hverdagen til at ændre sig fundamentalt for mennesker med for eksempel Parkinsons sygdom eller Alzheimers sygdom. Frem for blot at dæmpe smerten og udsætte symptomerne, vil lægevidenskaben potentielt få redskaberne til at genopbygge vitale, mistede funktioner.
Fremtidsudsigter og potentielle risici, vi må forholde os til
Når de dybeste biologiske mekanismer mødes med hø
