Artificiell neuron från Massachusetts kommunicerar äntligen med den mänskliga hjärnan

Ett genombrott som kan förändra behandlingen av Parkinsons sjukdom

För allra första gången har forskare lyckats konstruera en artificiell nervcell som förstår biologiska neuroner och arbetar vid en spänningsnivå som motsvarar det mänskliga hjärtats. Detta banbrytande framsteg från ett universitetslaboratorium kan revolutionera behandlingen av Parkinsons sjukdom och framtiden för neuromorfiska chips.

Hjärnan tillhör de mest komplexa organen i människokroppen. Enligt uppskattningar innehåller den omkring 100 miljarder neuroner – specialiserade nervceller som var och en består av en cellkropp, ett tätt nätverk av signalmottagande utskott kallade dendriter och en lång tråd, axonet, som för impulsen vidare.

Processen fungerar ungefär så här: neuronen tar emot information via dendriter, bearbetar den i cellkroppen och skickar sedan ut en elektrisk impuls genom axonet till andra celler. På det sättet uppstår tankar, rörelser och känseln av smärta, lukt och ljud. Bryts denna kedja märks konsekvenserna omedelbart i hela organismen.

Skador på eller död av neuroner kan leda till sjukdomar som Parkinsons sjukdom, allvarliga rörelsestörningar och den gradvisa minnesförlusten som kännetecknar Alzheimers sjukdom. Därför väcker varje verktyg som kan efterlikna eller ersätta en neuron stort intresse hos både läkare och ingenjörer.

Varför neuroner inte förnyas – och vad det innebär

Till skillnad från många andra celler i kroppen regenererar neuroner sig i stort sett inte själva. Dör de är organismen normalt oförmögen att ersätta dem. Det betyder att hjärn- och ryggmärgsskador ofta är oåterkalleliga, och att följderna av olyckor eller sjukdomar kan följa en människa hela livet.

I åratal har forskningen arbetat med teknologier som kan stödja eller delvis ersätta skadade nervceller. En av de mest lovande riktningarna är så kallad neuromorfisk integration – utvecklingen av elektroniska kretsar inspirerade av hjärnans uppbyggnad och funktion. Tanken är att processorer eller specialchips ska bearbeta information på liknande sätt som neuronnätverk, istället för att bara utföra enkla, linjära beräkningar.

Tidigare försök att skapa artificiella neuroner har dock haft tydliga begränsningar. Apparaterna krävde oftast höga spänningar, förbrukade för mycket energi och var svåra att integrera i den känsliga biologiska miljön. Dessutom skiljde sig deras sätt att överföra information markant från neuronernas naturliga ”språk”, vilket gjorde kommunikationen med kroppens celler oprecis.

Så här löste forskare från University of Massachusetts spänningsproblemet

Ett forskarlag från University of Massachusetts valde en radikalt annorlunda ansats. Enligt det publicerade arbetet lyckades de konstruera en artificiell neuron som fungerar vid en spänningsnivå nära det mänskliga hjärtats – cirka 0,1 volt. Det är ofattbart mycket mindre än tidigare konstruktioner som krävde upp till tio gånger högre spänning och förbrukade hundra gånger mer energi.

Kärnan i den nya lösningen är en krets med proteinnanofiber som kan vidarebefordra elektriska signaler på ett fint och tyst sätt som mycket påminner om neuronernas naturliga aktivitet. Det avgörande är att denna artificiella neuron inte bara genererar impulser – den kommunicerar verkligen med äkta nervceller. Forskarna visade att apparaten kan sända ut signaler som den biologiska neuronen tar emot, tolkar och reagerar på. Hela systemet fungerar i en fuktig miljö motsvarande den som finns i hjärnan eller nervvävnaden.

Proteinnanofibrerna spelar en central roll i hela systemet. Det handlar om otroligt tunna trådar sammansatta av proteiner som produceras av bakterier. Dessa nanofibrer kan fästa sig vid olika ytor och transportera elektroner längs sin struktur – tänk på dem som supertunna, biologiska ledningar som förbinder elektronikens värld med levande celler.

Sådana fibrer tål utmärkt den vattniga miljön där vanlig elektronik ofta sviktar. Därmed kan den artificiella neuronen arbeta under liknande förhållanden som äkta neuroner, utan att det är nödvändigt att isolera den hermetiskt från omgivningarna.

• Den elektriska signalen motsvarar den naturliga nervimpulsen vad gäller spänning
• Energiförbrukningen för att driva kretsen minskar med upp till hundra gånger jämfört med tidigare projekt
• Proteinnanofibrerna är kompatibla med en fuktig, biologisk miljö
• Kommunikationen med den biologiska neuronen försiggår friktionsfritt, utan störningar från kraftigare impulser
• Konstruktionen fungerar vid cirka 0,1 volt – precis som den mänskliga hjärnan
• Apparaten kan reagera på signaler från äkta nervceller
• Bakteriella nanofibrer möjliggör elektronöverföring i en biologiskt vänlig miljö

Tillämpningar inom medicin och datavetenskap

Forskarna ser flera direkta användningsmöjligheter. Medicinen och precisa hjärn-maskin-gränssnitt är det primära fokuset. Finare och mer energieffektiva artificiella neuroner skulle i framtiden kunna förbinda de delar av hjärnan som styr rörelse, förnimmelse eller minne, och hjälpa där de naturliga förbindelserna är skadade.

I praktiken kan det betyda mer känsliga och stabila implantat för människor efter stroke, en ny generation av stimulatorer för patienter med Parkinsons sjukdom, eller kretsar som understödjer bildandet av nya nervförbindelser vid ryggmärgsskador. Villkoret är ett: de artificiella neuronerna måste verkligen ”förstå” det som är kvar av det biologiska nätverket, utan att störa dess arbete.

Ju närmare teknologin kommer äkta neuronernas funktionssätt, desto större är chansen att organismen accepterar den som ett naturligt element i nervnätverket. Neuromorfisk integration har dessutom enorm betydelse för datavetenskap och elektronik. Hjärninspirerade kretsar kan vara långt mer energieffektiva än klassiska processorer och samtidigt bättre hantera uppgifter som kräver ”intuition”: bildigenkänning, talanalys eller snabbt beslutsfattande baserat på ofullständiga data.

Forskarna från Massachusetts understryker att deras konstruktion öppnar vägen till apparater som inte bara passivt avläser hjärnans signaler, utan aktivt deltar i nervkommunikationen. Det är en avgörande skillnad från hittillsvarande neuro-proteser som primärt registrerade elektrisk aktivitet men bara med svårighet kunde påverka den på naturlig väg.

Hur nära är vi riktiga implantat och neuromorfiska chips?

Även om det låter som ett sci-fi-scenario låter sig vägen till praktiska implantat eller datorer med artificiella neuroner i en central roll redan skisseras. Det finns fortfarande en rad svåra frågor som måste lösas: hur säkerställs den långsiktiga stabiliteten hos sådana element i organismen, hur undviks immunreaktioner, och hur styrs tusentals – ja, miljontals – artificiella neuroner samtidigt.

Ingenjörerna arbetar också med att dessa kretsar ska kunna lära sig, precis som ett naturligt nervnätverk gör det. Det kräver design av ”artificiella synapser” som över tid stärker eller försvagar förbindelser beroende på inkommande signaler. Först kombinationen av båda delarna – neuroner och synapser – kommer att göra det möjligt att närma sig den mänskliga hjärnbarkens plasticitet.

För den vanliga personen är det nog mest intressant att denna teknologi en dag kan smälta samman med lösningar vi redan känner från vardagen: artificiell intelligens i smartphones, avancerade proteser eller intelligent assistans i läkarnas arbete. Kan en artificiell neuron kommunicera med nervvävnad finns det inget som hindrar att liknande kretsar en dag blir ”översättaren” mellan hjärnan och de intelligenta apparater omkring oss.

Den etiska aspekten förtjänar också uppmärksamhet. Ju bättre vi lär oss att ingripa i hjärnans aktivitet, desto högre ljuder frågorna om gränserna för sådana ingrepp: vem kontrollerar nervdata, är manipulation av beteende möjlig, och hur skyddas hjärn-dator-kretsar mot hackerattacker. Debatten om den artificiella neuronen slutar inte i laboratoriet – den rör sig snabbt vidare till läkarmottagningar, advokatkontoret och bioetiska kommissioner.

Vad man kan ta med sig från upptäckten från Massachusetts

Genombrottet från University of Massachusetts visar att gränsen mellan biologi och elektronik snabbt suddas ut. En artificiell neuron som fungerar vid låg spänning, är kompatibel med en fuktig miljö och kan kommunicera friktionsfritt med levande celler, öppnar dörrarna till nya terapier såväl som nya datorarkitekturer. Proteinnanofiber från bakterier har visat sig vara den idealiska bron mellan chipvärlden och nervvävnaden.

För patienter med neurologiska åkommor kan det i framtiden innebära hopp om mer precisa implantat som inte bara registrerar, utan aktivt återställer brutna förbindelser. För utvecklare representerar det inspiration till energieffektiva processorer som tänker mer som en hjärna än som en miniräknare. Och för samhället som helhet är det en påminnelse om att revolutionen inom neurovetenskap och medicin inte längre tillhör en avlägsen framtid – den utspelar sig just nu, i laboratorier där små artificiella celler för första gången började förstå mänskliga neuroner.