En elektronisk komponent som talar hjärnans språk
Forskare vid University of Massachusetts har för första gången skapat en elektronisk komponent som kan kommunicera naturligt med levande nervceller i en fuktig miljö liknande den i hjärnan. Enheten arbetar vid spänningar jämförbara med biologiska neuroner och banar väg för behandling av både Parkinsons och Alzheimers sjukdom.
Den mänskliga hjärnan består av ett tätt nätverk med ungefär hundra miljarder nervceller, samtliga specialiserade på att överföra information. Varje neuron har tre huvuddelar: en cellkropp, dendritter och ett axon. Dendriterna samlar in signaler från omkringliggande celler, cellkroppen bearbetar dem och axonet fungerar som en ledare som för den elektriska impulsen vidare till nästa neuron. På en bråkdel av en sekund passerar miljontals sådana impulser genom hjärnan och styr allt från rörelse och perception till minne.
Problem uppstår när neuroner slutar fungera eller dör. Skador på nervsystemet kan leda till rörelsestörningar som Parkinsons sjukdom, perceptionsproblem eller de allvarliga minnesstörningar som kännetecknar Alzheimers. Till skillnad från många andra celltyper förnyas nervceller ytterst sällan – en förlorad neuron är i de flesta fall borta för alltid. Det är just därför som neurologi och biomedicinsk teknik i åratal sökt efter sätt att skydda eller ersätta skadade nervceller.
Teknik som kan efterlikna en neurons funktion så trovärdigt att hjärnan uppfattar den som sin egen har därför ett enormt värde. Det är exakt ett sådant genombrott som ett forskarlag vid University of Massachusetts nu beskriver i tidskriften Nature Communications.
Vad är neuromorfisk integration och varför spelar det så stor roll
Den nya konstgjorda neuronen från Massachusetts ingår i en bredare rörelse kallad neuromorfisk integration – en ansats att utforma elektronik som så nära som möjligt kopierar neuronernas och synapsernas struktur och beteende. Istället för den traditionella linjära databehandlingen vi känner från vanliga processorer försöker neuromorfiska kretsar fungera mer som en hjärna: parallellt, energisnålt och via korta impulser.
I laboratorier världen över utvecklas därför specialiserade chip, konstgjorda synapser och nya typer av transistorer som lär sig och anpassar sig. Men många tidigare försök har strandat på otillräcklig biologisk kompatibilitet. Enheterna fungerade antingen bara under alltför torra och sterila förhållanden, eller sände ut elektriska signaler som var för starka för hjärnans finkalibrerade kemi.
Forskarteamet vid University of Massachusetts lyckades bryta igenom dessa barriärer. Deras konstgjorda neuron kommunicerar med en levande nervcell på ett sätt som ligger mycket nära det naturliga, och dessutom klarar den av att arbeta i en fuktig miljö liknande den som omger riktiga nervceller. Nyckeln visade sig vara proteinnanofiber – mikroskopiska ledare producerade av bakterier som i naturen används för att fästa vid ytor och utbyta elektroner. Ingenjörerna utnyttjade denna egenskap för att bygga en ledande struktur som kan sänkas ner i en lösning liknande den vätska som omger neuroner.
Hur proteinnanofiber fungerar i en konstgjord neuron
Proteinnanofibrerna fungerar som fina, naturliga ledare med förmågan att samtidigt kommunicera med både elektronik och levande vävnad. Det är avgörande av två skäl. För det första kan den konstgjorda neuronen existera fysiskt tillsammans med nervceller utan att kräva de sterila och torra förhållanden som gäller för många konventionella kretsar. För det andra är den tillräckligt känslig för att arbeta vid spänningar nära dem som vår hjärna genererar.
Tidigare konstruktioner av konstgjorda neuroner krävde upp till tio gånger högre spänning än naturliga nervceller. Det resulterade i hundra gånger högre energiförbrukning och alltför starka signaler som biologin inte kunde ta emot korrekt. Den nya komponenten arbetar vid en spänning runt en tiondels volt – ungefär samma nivå som en mänsklig neuron.
En av ingenjörerna beskrev tidigare versioner som en person med megafon som stormar in i ett tyst föreläsningsrum. Den nya lösningen beter sig snarare som någon som talar stillsamt och anpassar sin röst efter omgivningen. Den konstgjorda neuronen dominerar därför inte det biologiska systemet utan samarbetar genuint med det. För första gången finns möjligheten till verklig tvåvägskommunikation: elektroniken läser signaler från neuronen och skickar tillbaka ett svar på ett språk som neuronen faktiskt förstår.
Vilka möjligheter öppnar konstgjorda neuroner för medicin och teknik
Att en enda konstgjord neuron har skapats betyder självklart inte att en fullt fungerande konstgjord hjärnbark kan byggas imorgon. Riktningen är dock tydlig – ju bättre vi lär oss att konstruera enskilda komponenter, desto lättare blir det att koppla samman dem i större nätverk. Forskarna ser flera möjliga tillämpningar:
- En ny generation neurologiska implantat som är mer precisa, mindre invasiva och bättre synkroniserade med hjärnans signaler
- Ersättning av skadade hjärnregioner med konstgjorda neuroner som tar över förlorade cellers uppgifter
- Neuromorfiska processorer inspirerade av hjärnan med betydligt lägre energiförbrukning än traditionella CPU eller GPU
- Förbättrade gränssnitt mellan hjärna och dator med finare kommunikation än dagens system med metallelektroder
- Långsiktigt bärbara, miniatyriserade medicinska enheter som drivs vid biologiska spänningsnivåer
- Stöd för behandling av Parkinsons och Alzheimers sjukdom genom delvis återställande av förlorade neuronala funktioner
Genom att arbeta vid spänningar nära de biologiska öppnar sådana kretsar vägen mot miniaturiserade, energisnåla medicinska apparater som kan bäras i kroppen under många år. Ju lägre spänning och energiförbrukning, desto närmare kommer vi en elektronik som beter sig som vävnad snarare än som ett främmande föremål.
Var går gränserna för dagens teknik med konstgjorda neuroner
Just nu handlar det om en enda komponent som uppvisar lovande resultat under laboratorieförhållanden. De kommande utmaningarna är uppenbara: stabiliteten hos en sådan neuron måste undersökas över längre tid, liksom dess motståndskraft mot temperaturförändringar, kemiska variationer och förmågan att fungera i ett nätverk med andra celler. Forskarna måste också fastställa hur man bäst kopplar samman många konstgjorda neuroner med levande vävnad – hur många som behövs, i vilka mönster och hur deras inlärning ska styras.
Neuroner är inte bara kablar som leder impulser. Varje cell har sin egen kemi, sin metabolism och reagerar på hormoner och ämnen från omgivningen. En konstgjord neuron, hur avancerad den än är, efterliknar i dagsläget framförallt det elektriska lagret. Den kommer därför under lång tid snarare att fungera som ett stöd och en protes än som en fullvärdig ersättning för levande vävnad.
Till bilden hör inte bara ingenjörskonst utan också etik. Frågor om gränserna för ingrepp i hjärnan blir allt mer angelägna. Gränssnitt som förbinder hjärnan med elektronik väcker alltid en spänning mellan fascination och oro – å ena sidan lockar visionen om att återfå förlorade funktioner, å andra sidan tvingar de oss att reflektera över var gränsen för mänsklig modifiering går och vem som ska förvalta så känsliga data som neural aktivitet.
Konstgjorda neuroner som en bro mellan biologi och artificiell intelligens
För den som följer utvecklingen inom artificiell intelligens kan ämnet verka avlägset, men kopplingen är faktiskt intressant. Maskininlärning och neurala nätverk i datorer hämtar bara symbolisk inspiration från biologin. Neuromorfisk integration försöker tvärtom närma sig den verkliga hjärnan på hårdvarunivå. Om dessa två spår börjar sammanflätas kan vi ana konturerna av helt nya typer av intelligenta enheter – inte bara snabba och smarta, utan också mer lika det sätt på vilket vårt eget nervsystem fungerar.
Forskarteamet vid University of Massachusetts har visat att elektronik och levande vävnad kan samverka på jämbördig nivå. Om tekniken kan skalas upp och kombineras med annan forskning inom neurovetenskap och materialvetenskap, får vi verktyg för att behandla sjukdomar vi idag bara kan lindra. Den återstående frågan är hur snabbt de tekniska hindren kan övervinnas och hur noggrant de etiska konsekvenserna av sådana ingrepp vägs. Kommer du att följa vart den här tekniken tar oss?
