En elektronisk krets som talar hjärnans språk
Forskare från University of Massachusetts har skapat en elektronisk krets som inte bara imiterar hjärnans signaler, utan som faktiskt opererar i en fuktig miljö liknande den där riktiga neuroner arbetar.
Resultaten publicerades i tidskriften Nature Communications och kan helt förändra hur vi behandlar neurologiska sjukdomar samt designar hjärninspirerad elektronik. Teamet från Massachusetts har för första gången uppnått genuin tvåvägskommunikation mellan en artificiell och en biologisk neuron.
Så fungerar hjärnans nätverk
Hjärnan utgör ett tätt nätverk av kopplingar. Enligt data från Institutet för hjärnforskning består den av cirka 100 miljarder neuroner — nervceller specialiserade på att överföra information. Varje cell byggs upp av tre huvuddelar: cellkroppen, dendriterna och axonet.
Dendriterna samlar in signaler från andra celler. Cellkroppen bearbetar dem, och axonet fungerar som en kabel genom vilken den elektriska impulsen skickas vidare till andra neuroner. På ett ögonblick passerar miljoner sådana impulser genom hjärnan — de styr rörelser, känslor och minnen. Men systemet är extremt ömtåligt och sårbart för skador.
Varför det är ett stort problem när neuroner dör
Problemen uppstår i samma ögonblick som neuroner slutar fungera eller dör. Skador på nervnätverket kan leda till ett brett spektrum av hälsokomplikationer som dramatiskt försämrar patienters livskvalitet.
Till skillnad från många andra celltyper förnyas neuroner inte lätt. En gång förlorade försvinner de vanligtvis för alltid. Därför har neurologi och biomedicinsk ingenjörsvetenskap i åratal sökt metoder för att skydda eller ersätta dem.
Skador på nervnätverket kan orsaka:
- rörelserubbningar, till exempel Parkinsons sjukdom
- störningar i sinnesuppfattning och verklighetsförståelse
- allvarliga minnesproblem, som vid Alzheimers sjukdom
- nedsatt kognitiv funktion och beslutsförmåga
- förlorad kontroll över muskelrörelser
- tal- och kommunikationssvårigheter
- personlighetsförändringar och emotionella omvälvningar
Teknologi som kan efterlikna en neurons arbete så trovärdigt att hjärnan ”uppfattar” det som sitt eget är av särskild betydelse. Tidigare försök har dock stött på bristande förmåga att fungera i en biologisk miljö eller på elektriska signaler som var alldeles för kraftfulla för hjärnans fina kemi.
Vad neuromorf integration betyder i praktiken
Den nya artificiella neuronen från Massachusetts passar in i en bredare trend kallad neuromorf integration. Det handlar om att designa elektronik som så troget som möjligt kopierar neuronernas och synapsernas struktur och beteende.
Istället för klassisk, linjär databehandling som i traditionella processorer försöker neuromorf elektronik att fungera mer som en hjärna: parallellt, energieffektivt och med hjälp av korta impulser. I laboratorier utvecklas därför specialiserade chip, artificiella synapser och nya typer av transistorer som lär sig och anpassar sig.
Många tidigare försök har misslyckats på grund av otillräcklig biologisk kompatibilitet. Enheterna fungerade antingen under för torra och sterila förhållanden, eller de sände ut alldeles för kraftiga elektriska signaler som inte passade till hjärnans känsliga kemi. Teamet från University of Massachusetts lyckades emellertid övervinna dessa barriärer.
Forskarna skapade en neuron som kan kommunicera med en riktig neuron på ett sätt som liknar det naturliga mycket nära — och som dessutom arbetar i en fuktig miljö motsvarande den där nervceller fungerar. Nyckeln visade sig vara proteinnanofibrer — mikroskopiska ledare producerade av bakterier.
Så fungerar proteinnanofibrer i den artificiella neuronen
I naturen hjälper proteinnanofibrer bakterier att fästa sig vid ytor och utbyta elektroner. Ingenjörerna utnyttjade denna egenskap för att konstruera en ledande struktur som kan sänkas ned i en lösning motsvarande den vätska som omger neuroner.
Proteinnanofibrerna verkar som fina, naturliga ledare som ”förstår” både elektronik och levande vävnad. Det är viktigt av två skäl. För det första kan en sådan artificiell neuron fysiskt samexistera med nervceller utan att kräva sterila, torra förhållanden som många klassiska kretsar.
För det andra är den tillräckligt känslig för att arbeta vid spänningar nära dem vår hjärna genererar. Denna egenskap utgör en avgörande skillnad jämfört med tidigare konstruktioner som krävde mycket högre spänningar och förbrukade många gånger mer energi.
Tidigare konstruktioner av artificiella neuroner krävde till och med tio gånger högre spänning än naturliga nervceller. Det resulterade i hundra gånger högre energiförbrukning och en alldeles för kraftig signal som biologin inte kunde ta emot korrekt. Det nya elementet arbetar vid en spänning på omkring 0,1 volt — ungefär detsamma som en mänsklig neuron genererar.
Energi motsvarande den verkliga hjärnan förändrar allt
Enligt en av ingenjörerna påminde tidigare versioner om en skrikande person med megafon som stormar in i ett tyst föreläsningsrum. Den nya lösningen uppför sig snarare som en person som talar halvviskat och anpassar tonen till omgivningen.
Tack vare detta dominerar den artificiella neuronen inte det biologiska systemet, utan samarbetar verkligen med det. Vi har därför för första gången möjlighet till genuin tvåvägskommunikation: elektroniken avläser signaler från neuronen och skickar ett svar tillbaka i ett ”språk” den förstår. Detta genombrott öppnar vägen för enheter som kan fungera inne i den mänskliga kroppen under lång tid.
Ju lägre spänning och ju mindre energiförbrukning, desto närmare är vi elektronik som fungerar som vävnad och inte som ett främmande föremål. Medarbetarna från University of Massachusetts understryker att just denna aspekt i framtiden kan möjliggöra miniatyrimplantat som fungerar i åratal utan batteribyte.
Forskarna ser flera möjliga tillämpningar. En ny generation av neurologiska implantat skulle kunna bli mer precis, mindre invasiv och bättre anpassad till hjärnans signaler. Artificiella neuroner skulle också kunna ta över några av de förlorade cellernas uppgifter vid protesering av skadade hjärnområden.
Vilka andra tillämpningar har denna teknologi
Neuromorfa processorer utgör ett annat lovande tillämpningsområde. Hjärninspirerade elektroniska kretsar är väsentligt mer energieffektiva än klassiska CPU:er och GPU:er, vilket gör dem attraktiva för framtida datorsystem.
Bättre gränssnitt mellan hjärna och dator skulle kunna ge mycket mer precis kommunikation med neuroner än nuvarande system som använder metallelektroder. Sådana framsteg skulle kunna hjälpa patienter med förlamning att styra proteser med tankarna eller ge människor med talstörningar möjlighet att kommunicera igen.
Genom att arbeta vid spänningar nära de biologiska öppnar dessa kretsar vägen till miniatyr, energieffektiva medicinska enheter som kan bäras i kroppen i åratal. Hittills har vi dock ett enda element som uppför sig lovande under laboratorieförhållanden.
Ytterligare utmaningar är tydliga: det är nödvändigt att verifiera stabiliteten hos en sådan neuron över längre tid, dess motståndskraft mot temperaturförändringar, kemiska fluktuationer och förmågan att fungera i ett nätverk med andra celler. Forskarna kommer också att behöva fastställa hur man bäst kopplar flera sådana artificiella neuroner med levande vävnad.
Vad framtiden bär med sig för forskning i artificiella neuroner
Om teknologin rör sig mot medicinska tillämpningar kan patienter med Parkinsons sjukdom eller Alzheimers sjukdom få helt nya terapeutiska verktyg. Istället för att bara lindra symtom skulle läkare få möjlighet att delvis återställa funktioner från förlorade neuroner.
Gränssnitt som kopplar samman hjärnan med elektronik framkallar alltid en spänning mellan fascination och oro. Å ena sidan tilltalar visionen om att återställa förlorade funktioner, å andra sidan tvingar det att tänka över gränserna för mänsklig modifiering och över vem som ska administrera så känsliga data som neuronal aktivitet. De etiska frågorna kommer att växa i takt med teknologins utveckling.
Det är värt att notera att neuroner inte bara är ”kablar” som leder impulser. Varje cell har sin egen kemi, metabolism och reagerar på hormoner och ämnen från omgivningen. En artificiell neuron — även en mycket avancerad — efterliknar tillsvidare primärt det elektriska lagret. Den kommer därför under lång tid snarare att fungera som stöd och protes än som en fullvärdig ersättning för levande vävnad.
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 närma sig den verkliga hjärnan från hårdvarans sida. Om dessa två riktningar börjar smälta samman kan vi se helt nya typer av intelligenta enheter — inte bara snabba och smarta, utan också närmare det sätt vårt eget nervsystem fungerar på. Man bör inte förvänta sig omedelbara, omvälvande förändringar, men forskningens riktning pekar mot en framtid där gränsen mellan biologi och elektronik gradvis suddas ut.
