En elektronisk krets som talar hjärnans språk
Forskare vid University of Massachusetts har utvecklat en elektronisk krets som inte bara efterliknar hjärnans signaler – den fungerar också i en fuktig miljö som liknar den där riktiga nervceller arbetar.
Resultaten, publicerade i tidskriften Nature Communications, kan helt förändra hur vi behandlar neurologiska sjukdomar och hur vi konstruerar hjärninspirerad elektronik. För första gången har teamet från Massachusetts uppnått äkta tvåvägskommunikation mellan en konstgjord och en biologisk neuron.
Hjärnan – ett nätverk av häpnadsväckande komplexitet
Hjärnan består av ett enormt tätt nätverk av kopplingar. Enligt uppgifter från hjärnforskningen rymmer den ungefär 100 miljarder nervceller, var och en specialiserad på att överföra information. Varje neuron är uppbyggd av tre huvuddelar: cellkroppen, dendriterna och axonen.
Dendriterna samlar in signaler från omgivande celler. Cellkroppen bearbetar informationen, och axonen fungerar som en ledning genom vilken den elektriska impulsen skickas vidare till nästa neuron. På bråkdelen av en sekund passerar miljontals sådana impulser genom hjärnan – de styr hur du rör dig, vad du känner och vad du minns. Men systemet är också extremt känsligt och sårbart för skador.
Varför döende nervceller är ett så allvarligt problem
Problemen uppstår när nervceller slutar fungera eller dör. Till skillnad från många andra celltyper förnyas neuroner inte på något enkelt sätt – när de väl försvunnit är de i regel borta för alltid.
Skador på nervcellsnätverket kan leda till ett brett spektrum av medicinska komplikationer som drastiskt påverkar livskvaliteten. Neurologi och biomedicinsk teknik har därför i många år sökt sätt att skydda eller ersätta förlorade nervceller.
Skador på neuronala nätverk kan orsaka:
- rörelsestörningar, exempelvis Parkinsons sjukdom
- störningar i känsel och verklighetsperception
- allvarliga minnesproblem, som vid Alzheimers sjukdom
- försämrade kognitiva funktioner och beslutsförmåga
- förlorad kontroll över muskelrörelser
- tal- och kommunikationssvårigheter
- förändringar i personlighet och känsloliv
Det som gör tekniken särskilt intressant är möjligheten att efterlikna en neurons funktion så trovärdigt att hjärnan uppfattar den som sin egen. Tidigare försök har gång på gång strandat på oförmågan att fungera i biologisk miljö, eller på att de elektriska signalerna varit alltför starka för hjärnans känsliga kemi.
Vad neuromorfisk integration egentligen innebär
Den nya konstgjorda neuronen från Massachusetts passar in i en bredare trend som kallas neuromorfisk integration – ett sätt att konstruera elektronik som så nära som möjligt kopierar strukturen och beteendet hos nervceller och synapser.
I stället för den linjära databehandling som traditionella processorer använder försöker neuromorfiska kretsar fungera mer som hjärnan: parallellt, energisnålt och med korta impulser. I laboratorier runt om i världen utvecklas därför specialiserade chip, konstgjorda synapser och nya typer av transistorer som kan lära sig och anpassa sig.
Hittills har många sådana försök misslyckats på grund av bristande biologisk kompatibilitet. Enheterna har antingen krävt alltför torra och sterila förhållanden, eller skickat ut elektriska signaler som är alldeles för starka för hjärnans finkänsliga kemi. Teamet från University of Massachusetts lyckades emellertid övervinna dessa hinder.
Proteinnanofibrer – nyckeln till genomslaget
Forskarna skapade en konstgjord neuron som kommunicerar med en verklig nervcell på ett sätt som liknar det naturliga, och som dessutom fungerar i en fuktig miljö liknande den nervceller faktiskt lever i. Nyckeln visade sig vara proteinnanofibrer – mikroskopiska ledare som produceras av bakterier.
I naturen hjälper proteinnanofibrer bakterier att fästa vid ytor och utväxla elektroner. Ingenjörerna utnyttjade denna egenskap för att bygga en ledande struktur som kan sänkas ner i en lösning liknande den vätska som omger nervceller.
Proteinnanofibrer fungerar som fina, naturliga ledare som ”förstår” både elektronik och levande vävnad. Det är viktigt av två skäl. För det första kan en sådan konstgjord neuron samexistera fysiskt med nervceller utan att kräva sterila, torra förhållanden. För det andra är den tillräckligt känslig för att arbeta vid spänningar som liknar dem vår hjärna genererar.
Rätt spänningsnivå förändrar allt
Tidigare konstruktioner av konstgjorda neuroner krävde upp till tio gånger högre spänning än naturliga nervceller. Det ledde till hundra gånger högre energiförbrukning och signaler som var alltför kraftiga för att biologin skulle kunna ta emot dem korrekt. Den nya komponenten arbetar vid ungefär 0,1 volt – ungefär samma nivå som en mänsklig neuron genererar.
En av ingenjörerna beskriver det så här: tidigare versioner liknade personer som skriker i megafon när de störtar in i ett tyst föreläsningsrum. Den nya lösningen beter sig mer som någon som viskar och anpassar sin röst till omgivningen.
Tack vare detta dominerar inte den konstgjorda neuronen det biologiska systemet – den samarbetar verkligen med det. För första gången finns nu chansen till äkta tvåvägskommunikation: elektroniken läser signaler från nervcellen och svarar på ett ”språk” som den förstår.
Möjliga användningsområden för tekniken
Forskarna ser flera lovande tillämpningar. En ny generation neurologiska implantat skulle kunna bli mer precisa, mindre invasiva och bättre anpassade till hjärnans signaler. Konstgjorda neuroner skulle också kunna ta över en del av de förlorade cellernas uppgifter vid protestik av skadade hjärnregioner.
Neuromorfiska processorer är ett annat spännande område. Hjärninspirerade elektroniska kretsar är avsevärt mer energieffektiva än konventionella CPU:er och GPU:er, vilket gör dem attraktiva för framtidens beräkningssystem.
Bättre gränssnitt mellan hjärna och dator kan ge finare kommunikation med nervceller än de metallelektroder som används idag. Sådana framsteg skulle kunna hjälpa patienter med förlamning att styra proteser med tankarna, eller ge personer med talstörningar möjligheten att kommunicera igen.
Eftersom kretsarna arbetar vid biologiskt anpassade spänningar öppnar de också vägen för miniatyriserade, energisnåla medicinska enheter som kan bäras i kroppen under många år.
Utmaningarna som återstår
I nuläget handlar det om en enda komponent som uppvisar lovande egenskaper under laboratorieförhållanden. Återstående utmaningar är uppenbara: långtidsstabiliteten hos den konstgjorda neuronen måste verifieras, liksom dess tålighet mot temperaturförändringar, kemiska fluktuationer och förmågan att fungera i nätverk med andra celler.
Forskarna måste också fastställa hur man bäst kopplar samman flera konstgjorda neuroner med levande vävnad – ett komplext ingenjörsproblem som kräver ytterligare forskning.
Vad framtiden kan hålla i store
Om tekniken rör sig mot medicinska tillämpningar kan patienter med Parkinsons eller Alzheimers sjukdom få tillgång till helt nya terapeutiska verktyg. I stället för att enbart lindra symtom skulle läkare kunna ha en chans att delvis återställa funktioner hos förlorade nervceller.
Gränssnitt som kopplar samman hjärnan med elektronik väcker alltid spänning – både fascination och oro. Å ena sidan lockar visionen om att återvinna förlorade funktioner; å andra sidan tvingas vi tänka på gränserna för mänsklig modifiering och vem som ska förvalta data lika känslig som neural aktivitet. De etiska frågorna kommer att växa i takt med tekniken.
Det är värt att påminna sig om att nervceller inte bara är ”kablar” för impulser. Varje cell har sin egen kemi, sin metabolism och reagerar på hormoner och ämnen i sin omgivning. En konstgjord neuron – hur avancerad den än är – efterliknar hittills i huvudsak det elektriska lagret. Den kommer därför länge att vara ett stöd och en protes snarare än en fullvärdig ersättning för levande vävnad.
För den som följer artificiell intelligens kan ämnet verka avlägset, men kopplingen är intressant. Maskininlärning och neurala nätverk i datorer hämtar bara symbolisk inspiration från biologin. Neuromorfisk integration försöker däremot närma sig den verkliga hjärnan från hårdvarusidan. Om dessa två riktningar börjar sammanflätas kan vi se helt nya typer av intelligenta enheter – inte bara snabba och smarta, utan också närmare det sätt på vilket vårt eget nervsystem faktiskt fungerar.
