Ett elektroniskt system som talar hjärnans språk

Forskare från University of Massachusetts har tagit fram ett elektroniskt system som kan efterlikna hjärnans signaler och fungera i fuktig miljö – precis som riktiga nervceller gör.

Teamet beskrev i tidskriften Nature Communications en enhet som potentiellt kan revolutionera behandlingen av neurologiska sjukdomar och öppna nya vägar inom hjärninspirerad elektronik. Nyckeln till genombrott är proteinbaserade nanofibrer producerade av bakterier, vilka fungerar som naturliga ledare mellan elektronik och levande vävnad.

Vad händer när neuroner slutar fungera?

Hjärnan utgör ett tätt nätverk av ungefär 100 miljarder neuroner – nervceller specialiserade på informationsöverföring. Varje neuron består av tre huvuddelar: cellkroppen, dendriterna och axonet. Dendriterna samlar in signaler från omgivande celler, cellkroppen bearbetar dem, och axonet leder den elektriska impulsen vidare till andra neuroner.

På en bråkdel av en sekund rusar miljontals sådana impulser genom hjärnan och styr allt från rörelser och förnimmelser till minnen. Problemet uppstår när neuronerna upphör att fungera eller dör. Till skillnad från många andra celltyper förnyas neuroner sällan – förlorade celler är i regel borta för alltid.

Skadad nervvävnad kan leda till allvarliga konsekvenser. Enligt hjärnforskningsinstitut kan neuronernas dysfunktion utlösa ett brett spektrum av problem:

rörelsestörningar som Parkinsons sjukdom
störningar i sinnesuppfattningen och perceptionen
allvarliga minnesproblem typiska för Alzheimers sjukdom
nedsatt koordination mellan hjärnans olika områden
förlust av förmågan att tillägna sig nya färdigheter
svårigheter att känna igen ansikten och föremål

Just därför har neurologi och biomedicinsk ingenjörsvetenskap i åratal sökt metoder för att skydda eller ersätta neuroner. Det är särskilt viktigt att utveckla teknik som efterliknar en neurons funktion så trovärdigt att hjärnan accepterar den som sin egen.

Vad är neuromorfisk integration egentligen?

Den nya artificiella neuronen från Massachusetts passar in i en bredare trend kallad neuromorfisk integration. Det handlar om att designa elektronik som så exakt som möjligt kopierar strukturen och beteendet hos neuroner och synapser. Istället för klassisk linjär databehandling försöker neuromorfiska kretsar fungera som hjärnan: parallellt, energieffektivt och med hjälp av korta impulser.

I laboratorier världen över utvecklas specialchips, artificiella synapser och nya transistortyper som kan lära sig och anpassa sig. Hittillsvarande försök har dock ofta stött på otillräcklig biologisk kompatibilitet. Enheterna fungerade antingen bara i torr, steril miljö, eller så skickade de elektriska signaler som var alldeles för kraftiga för hjärnans känsliga kemi.

Forskarteamet från University of Massachusetts hävdar att ha brutit dessa barriärer. Deras artificiella neuron kommunicerar med en riktig neuron på ett sätt som ligger mycket nära det naturliga, och den fungerar i en fuktig miljö motsvarande nervcellernas egna omgivningar.

Proteinbaserade nanofibrer som bro mellan elektronik och vävnad

Nyckeln visade sig vara proteinbaserade nanofibrer – mikroskopiska ledare producerade av bakterier. I naturen hjälper de bakterier att fästa sig vid ytor och utbyta elektroner med omgivningen. Ingenjörerna utnyttjade denna egenskap för att bygga en ledande struktur som kan sänkas ned i en lösning motsvarande den vätska som omger neuroner.

Dessa proteinfiber fungerar som fina, naturliga ledare som ”förstår” både elektronik och levande vävnad på en gång. De kan därmed förmedla kommunikation i båda riktningarna utan användning av aggressiva metallelektroder, som ofta skadar omgivande celler.

Denna egenskap är avgörande av två skäl. För det första kan den artificiella neuronen fysiskt samexistera med nervceller utan att kräva en torr, steril miljö. För det andra är den tillräckligt känslig för att arbeta vid spänningar nära dem hjärnan genererar – ungefär 0,1 volt.

Tidigare konstruktioner av artificiella neuroner krävde upp till tio gånger högre spänning än naturliga nervceller. Det resulterade i hundra gånger högre energiförbrukning och alldeles för kraftiga signaler som biologin inte reagerade korrekt på. En av ingenjörerna jämförde det med en person med megafon som stormade in i ett tyst auditorium. Den nya lösningen beter sig snarare som någon som talar dämpat och anpassar tonen till omgivningen.

Tack vare detta dominerar den artificiella neuronen inte det biologiska systemet – den samarbetar verkligen med det. För första gången finns utsikt till äkta tvåvägskommunikation: elektroniken avläser signaler från neuronen och skickar svar tillbaka på ett ”språk” den kan förstå.

Hur kan tekniken förändra medicin och elektronik?

Att skapa en artificiell neuron betyder inte att en fullt funktionell artificiell hjärnbark finns inom räckhåll i morgon. Riktningen är dock klar – ju bättre vi lär oss att bygga de enskilda komponenterna, 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 och mindre invasiva
ersättning av skadade hjärnområden med artificiella neuroner som övertar förlorade cellers funktion
neuromorfiska processorer inspirerade av hjärnan, som är långt mer energieffektiva än klassiska CPU:er och GPU:er
bättre hjärna-dator-gränssnitt med finare kommunikation än nuvarande metallelektroder
miniaturiserade medicinska enheter som kan bäras i kroppen i många år
övervakningssystem som följer hjärnaktiviteten i realtid
terapeutiska verktyg för patienter med Parkinsons sjukdom eller Alzheimers sjukdom

När kretsarna arbetar vid spänningar nära de biologiska öppnas vägen för miniaturiserad, energisparande medicinsk utrustning. Ju lägre spänning och energiförbrukning, desto närmare kommer vi elektronik som beter sig som vävnad och inte som en främmande kropp.

Forskarna från University of Massachusetts understryker att tekniken kan transformera behandlingen av neurodegenerativa sjukdomar. Istället för att bara dämpa symptomen skulle läkare kunna delvis återställa förlorade neuronala funktioner och därmed ge patienterna tillbaka en del av sin självständighet.

Nästa steg och framtida utmaningar

Än så länge har vi ett enda element som beter sig lovande under laboratorieförhållanden. Utmaningarna är uppenbara: det är nödvändigt att verifiera neuronens stabilitet över längre tid, dess motståndskraft mot temperaturförändringar, kemiska fluktuationer och förmågan att fungera i ett nätverk med andra celler.

Forskarna måste också ta reda på hur man bäst kopplar samman ett större antal artificiella neuroner med levande vävnad – hur många som behövs, i vilka mönster, och hur man styr deras inlärning. Det handlar inte bara om ingenjörsvetenskap, utan också om etik. Frågor om gränserna för ingrepp i hjärnan kommer att bli allt mer brådskande.

Hjärnan är nämligen mer än kablar som leder impulser. Varje cell har sin egen kemi, sin egen metabolism och reagerar på hormoner och ämnen från omgivningen. En artificiell neuron – även en mycket avancerad – efterliknar än så länge främst det elektriska lagret. Därför kommer den 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 hämtar bara symbolisk inspiration från biologin. Neuromorfisk integration försöker närma sig den verkliga hjärnan från hårdvarusidan. 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.