En elektronisk komponent samtalar med levande nervceller

Forskare från University of Massachusetts har lyckats skapa en elektronisk komponent som på ett naturligt sätt kan kommunicera med levande nervceller i en fuktig miljö som liknar hjärnan. Enheten arbetar vid spänningsnivåer som motsvarar biologiska neuroners, vilket öppnar nya vägar för behandling av såväl Parkinsons sjukdom som Alzheimers sjukdom.

Den mänskliga hjärnan består av ett tätt nätverk med ungefär hundra miljarder neuroner – specialiserade nervceller vars uppgift är att överföra information. Enligt data från Brain Institute har varje neuron tre grundläggande delar: cellkroppen, dendriterna och axonet. Dendriterna fångar upp signaler från andra celler, cellkroppen bearbetar dem, och axonet fungerar som en ledare genom vilken den elektriska impulsen skickas vidare till andra neuroner. På bråkdelen av en sekund rusar miljontals sådana impulser genom hjärnan och styr våra rörelser, sinnesintryck och minnen.

När nervceller slutar fungera

Problem uppstår när neuroner upphör att fungera eller dör. Skador på nervsystemet kan leda till rörelsestörningar som Parkinsons sjukdom, sinnestörningar eller allvarliga minnesproblem som är typiska för Alzheimers sjukdom. Till skillnad från många andra celltyper förnyas inte neuroner lätt. När de väl har gått förlorade är de i regel borta för alltid.

Just därför har neurologi och biomedicinsk ingenjörsvetenskap i åratal sökt sätt att skydda eller ersätta nervceller. Ett avgörande steg i den riktningen beskrivs nu av ett team från University of Massachusetts i tidskriften Nature Communications.

Vad är neuromorf integration och varför spelar det så stor roll?

Den nya konstgjorda neuronen från Massachusetts bygger vidare på en bredare trend som kallas neuromorf integration. Det handlar om att designa elektronik som så troget som möjligt kopierar strukturen och beteendet hos neuroner och synapser. Istället för klassisk linjär databehandling, som vi känner från traditionella processorer, strävar neuromorfa kretsar efter att fungera mer som hjärnan: parallellt, energieffektivt och via korta impulser.

I laboratorier utvecklas därför specialiserade chips, konstgjorda synapser och nya typer av transistorer som lär sig och anpassar sig. Många tidigare försök strandade dock på otillräcklig biologisk kompatibilitet. Enheterna fungerade antingen bara under alltför torra och sterila förhållanden, eller så sände de ut alltför kraftiga elektriska signaler som inte stämde överens med hjärnans fina kemi.

Forskarna från University of Massachusetts lyckades bryta dessa barriärer. Deras konstgjorda neuron kommunicerar med en levande neuron på ett sätt som ligger mycket nära det naturliga – och fungerar dessutom i en fuktig miljö motsvarande den som nervceller lever i. Nyckeln visade sig vara proteinnanotrådar, mikroskopiska ledare producerade av bakterier. I naturen hjälper de bakterier att fästa sig vid ytor och utbyta elektroner. Ingenjörerna utnyttjade denna egenskap för att bygga en ledande struktur som kan nedsänkas i en lösning motsvarande den vätska som omger neuroner.

Så fungerar proteinnanotrådar i den konstgjorda neuronen

Proteinnanofibrer verkar som fina, naturliga ledare som samtidigt kan kommunicera med både elektronik och levande vävnad. Det är viktigt av två skäl. För det första kan en sådan konstgjord neuron fysiskt samexistera med nervceller utan att kräva de sterila och torra förhållanden som är typiska för många klassiska kretsar. För det andra är den känslig nog för att arbeta vid spänningar som motsvarar dem våra hjärnor genererar.

Tidigare konstruktioner av konstgjorda neuroner krävde upp till tio gånger högre spänning än naturliga nervceller. Det innebar hundra gånger högre energiförbrukning och en signal som var för kraftig för att biologin skulle kunna ta emot den korrekt. Den nya enheten arbetar vid en spänning på omkring en tiondels volt – ungefär detsamma som en mänsklig neuron.

Enligt en av ingenjörerna påminde tidigare versioner om en person med en megafon som stormar in i ett tyst auditorium. Den nya lösningen beter sig däremot mer som någon som talar dämpat och anpassar tonen till omgivningen. Därigenom dominerar inte den konstgjorda neuronen det biologiska systemet, utan samarbetar verkligen med det. För första gången har vi möjlighet till äkta tvåvägskommunikation: elektroniken avläser signaler från neuronen och skickar ett svar på ett språk den förstår.

Vilka möjligheter ger konstgjorda neuroner inom medicin och teknologi?

Att ha skapat en konstgjord neuron betyder inte att det i morgon uppstår en fullt funktionell konstgjord hjärnbark. Riktningen är emellertid tydlig – ju bättre vi lär oss att bygga de enskilda elementen, desto lättare blir det att koppla samman dem i större nätverk. Forskarna ser flera möjliga tillämpningar:

En ny generation av neurologiska implantat som är mer precisa, mindre invasiva och bättre anpassade till hjärnans signaler
Ersättning av skadade hjärnområden med hjälp av konstgjorda neuroner som tar över förlorade cellers uppgifter
Neuromorfa processorer inspirerade av hjärnan och betydligt mer energieffektiva än konventionella CPU:er eller GPU:er
Förbättrade gränssnitt mellan hjärna och dator med finare kommunikation än nuvarande system som använder metallelektroder
Långvariga bärbara, miniatyrmedicinskа enheter som arbetar vid biologisk spänning
Stöd för behandling av Parkinsons sjukdom och Alzheimers sjukdom genom delvis återställning av förlorade neuronala funktioner

Genom att arbeta vid spänningar nära de biologiska öppnar sådana kretsar vägen för miniatyr, energibesparande medicinska apparater som kan bäras i kroppen i åratal. Ju lägre spänning och ju mindre energiförbrukning, desto närmare är vi elektronik som fungerar som vävnad snarare än som en främmande kropp.

Var går gränserna för den nuvarande teknologin?

Hittills har vi ett element som beter sig lovande under laboratorieförhållanden. De nästa utmaningarna är uppenbara: det är nödvändigt att undersöka neuronens stabilitet över längre tid, dess motståndskraft mot temperaturförändringar, kemiska svängningar 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 man kontrollerar deras inlärning.

Neuroner är inte bara kablar som leder impulser. Varje cell har sin egen kemi, sin egen metabolism och reagerar på hormoner och ämnen från omgivningen. En konstgjord neuron, om än mycket avancerad, efterliknar tills vidare främst det elektriska lagret. Den kommer därför länge snarare att fungera som stöd och protes än som en fullvärdig ersättning för levande vävnad.

Härtill kommer inte bara ingenjörsvetenskapliga, utan också etiska frågor. Frågor om gränserna för ingrepp i hjärnan blir allt mer pressande. Gränssnitt som förbinder hjärnan med elektronik väcker alltid spänningar mellan fascination och oro – å ena sidan med visionen om att återskapa förlorade funktioner, å andra sidan med nödvändigheten att överväga gränserna för mänsklig modifiering och vem som förvaltar så känsliga data som neuronal aktivitet.

Konstgjorda neuroner som bro mellan biologi och artificiell intelligens

För dem som följer utvecklingen inom artificiell intelligens kan detta ämne verka avlägset – men det finns en intressant koppling. Maskininlärning och neurala nätverk i datorer låter sig endast symboliskt inspireras av biologin. Neuromorf integration försöker däremot närma sig den verkliga hjärnan på hårdvarunivå. Om dessa två riktningar börjar smälta samman kan vi kanske se helt nya typer av intelligenta enheter – inte bara snabba och smarta, utan också närmare hur vårt eget nervsystem fungerar.

Forskarna från University of Massachusetts har bevisat att elektronik och levande vävnad kan samarbeta på likvärdiga premisser. Om det lyckas att skala upp denna teknologi och koppla den till övrig forskning inom neurovetenskap och material får vi verktyg för att behandla sjukdomar vi idag bara kan lindra. Frågan är hur snabbt vi kan övervinna de tekniska hindren, och hur grundligt vi överväger de etiska konsekvenserna av sådana ingrepp.