En elektronisk komponent kommunicerar med levande nervceller
Forskare från University of Massachusetts har tagit fram en elektronisk komponent som kan utbyta signaler med levande nervceller i en fuktig miljö som påminner om hjärnan. För första gången i historien fungerar den vid en spänningsnivå som motsvarar biologiska neuroner.
Teamet beskrev i tidskriften Nature Communications ett system som inte bara imiterar hjärnans signaler, utan också lyckas operera under förhållanden som ligger mycket nära dem de verkliga neuronerna befinner sig i. Denna teknik har potential att fullständigt förändra hur vi behandlar neurologiska sjukdomar och utvecklar hjärninspirerad elektronik.
Vad händer när neuroner slutar fungera
Hjärnan utgör ett tätt nätverk av förbindelser. Enligt uppgifter från Institutet för hjärnforskning består den av cirka 100 miljarder neuroner — nervceller specialiserade på att vidarebefordra information. Varje enskild cell är sammansatt av tre huvuddelar: cellkroppen, dendriter och axon. Dendriterna samlar upp signaler från andra celler, cellkroppen bearbetar dem, och axonen fungerar som ledare för de elektriska impulserna till nästa neuroner.
På bråkdelen av ett ögonblick passerar miljontals sådana impulser genom hjärnan. De styr hur du rör dig, vad du känner och vad du minns. Problemet uppstår när neuroner slutar fungera eller dör. Till skillnad från många andra celltyper förnyas neuroner inte lätt — en gång förlorade förblir de oftast borta för alltid. Det är just därför neurologi och biomedicinsk ingenjörskonst i åratal har sökt sätt att skydda eller ersätta dem.
Neurologiska konsekvenser av neurondöd
Skador på nervsystemet kan leda till allvarliga följder. Rörelsestörningar som Parkinsons sjukdom uppstår när de dopaminproducerande neuronerna i basala ganglierna dör. En annan grupp är sinnes- och perceptionsstörningar, där hjärnan inte längre korrekt kan bearbeta information från ögon, öron eller hud.
Allvarliga minnesproblem utgör en tredje kategori. Vid Alzheimers sjukdom försvinner neuroner gradvis i hippocampus och hjärnbarken, vilket leder till nedbrytning av både kort- och långtidsminnet. Människor förlorar förmågan att känna igen nära anhöriga, orientera sig i rummet eller erinra sig viktiga händelser.
Vad är neuromorf integration 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 strukturen och beteendet hos neuroner och synapser. Istället för klassisk linjär databehandling, som i traditionella processorer, försöker neuromorfa kretsar fungera mer som en hjärna: parallellt, energisnålt och med hjälp av korta impulser.
I laboratorier över hela världen utvecklas specialiserade chip, artificiella synapser och nya transistortyper som lär sig och anpassar sig. Hittills har många försök dock strandat på otillräcklig biologisk kompatibilitet. Enheterna fungerade antingen under alltför torra, sterila förhållanden, eller de sände ut elektriska signaler som var för kraftfulla för hjärnans fina kemi.
Proteinnanofibrer som nyckeln till genombrottet
Forskarna från University of Massachusetts hävdar att de har lyckats bryta ner dessa barriärer. Deras artificiella neuron kommunicerar med en äkta neuron på ett sätt som ligger mycket nära det naturliga, och den opererar i en fuktig miljö som motsvarar den nervceller lever i. Proteinnanofibrer — mikroskopiska ledare skapade av bakterier — visade sig vara den avgörande faktorn.
I naturen hjälper dessa fibrer bakterier att fästa sig vid ytor och utbyta elektroner. Ingenjörerna utnyttjade denna egenskap för att bygga upp en ledande struktur som kan sänkas ner i en lösning motsvarande den vätska som omger neuroner. Proteinnanofibrerna fungerar som fina naturliga ledare som kan kommunicera med både elektronik och levande vävnad.
Hur den artificiella neuronen arbetar vid hjärnans spänningsnivå
Tidigare konstruktioner av artificiella neuroner krävde upp till tio gånger högre spänning än naturliga nervceller. Det resulterade i ett hundra gånger större energiförbrukning och en alltför kraftig signal som biologin inte korrekt kunde ta emot. Det nya elementet arbetar vid en spänningsnivå på ungefär 0,1 volt — någorlunda motsvarande det en mänsklig neuron genererar.
En av ingenjörerna jämförde tidigare versioner med en ropare med megafon som kliver in i en tyst föreläsningssal. Den nya lösningen uppför sig snarare som en person som talar lugnt och anpassar tonen till omgivningen. Därmed dominerar inte den artificiella neuronen det biologiska systemet, utan samarbetar verkligen med det.
För första gången har vi alltså en reell chans till äkta tvåvägskommunikation. Elektroniken läser av signaler från neuronen och skickar ett svar i ett språk den förstår. Det är en avgörande skillnad från klassiska metallelektroder som snarare fungerar som grova sensorer än som känsliga kommunikationsgränssnitt.
Konkreta användningsmöjligheter inom medicin och IT
Att en artificiell neuron har skapats betyder inte att vi imorgon har en fullt fungerande artificiell hjärnbark. Riktningen är dock klar. Ju bättre vi lär oss bygga de enskilda elementen, desto lättare blir det att sätta samman dem i större nätverk. Forskarna ser flera möjliga användningar som kan förändra inte bara medicinen, utan också informationsteknologin.
Överst på listan står en ny generation neurologiska implantat — mer precisa, mindre invasiva och bättre anpassade till hjärnans signaler. Den andra riktningen är protesering av skadade hjärnområden, där artificiella neuroner kan ta över en del av de förlorade cellernas uppgifter.
En tredje möjlighet är neuromorfa processorer — elektroniska kretsar inspirerade av hjärnan som är långt mer energieffektiva än klassiska CPU- och GPU-enheter från företag som Intel eller NVIDIA. En fjärde möjlighet är förbättrade hjärn-dator-gränssnitt, där finare kommunikation ersätter nutidens system med metallelektroder.
Ytterligare perspektiv omfattar:
- Miniatyrsensorer för övervakning av hjärnaktivitet vid epilepsi
- Implantat till patienter med ryggmärgsskador som möjliggör återställning av motoriska funktioner
- Experimentella terapier vid demens genom stimulering av hippocampus
- Energibesparande signalbärare för långtidsövervakning av neurodegenerativa sjukdomar
- Prototyper på smarta proteser som reagerar direkt på nervimpulser
- Forskningsplattformar för test av läkemedel som verkar på nervsystemet
- Hybridkretsar som kombinerar kiselchip med levande neuroner för robotteknik
- Avancerade system för rehabilitering efter stroke
Vad måste lösas innan tekniken kan användas kliniskt
Hittills har vi ett enskilt element som uppför sig lovande under laboratorieförhållanden. De nästa utmaningarna är tydliga: stabiliteten hos en sådan neuron över längre tid måste verifieras, likaså dess motståndskraft mot temperaturförändringar, kemiska fluktuationer och förmågan att fungera i ett nätverk med andra celler. Forskarna kommer också att behöva fastställa hur många artificiella neuroner bäst knyts till levande vävnad.
Hur många krävs? I vilka mönster? Hur styrs deras inlärning? Här spelar inte bara ingenjörskonst in, utan även etik. Frågor om gränserna för ingrepp i hjärnan kommer att bli allt mer pressande i takt med att tekniken närmar sig klinisk praktik.
Universitet som Stanford, MIT och ETH Zürich arbetar redan idag på liknande projekt. Konkurrensen kommer att påskynda utvecklingen, men ökar också trycket på säkerhetsstandarderna. Reglerande myndigheter som FDA i USA och EMA i Europa kommer att behöva fastställa regler för testning och godkännande av sådana enheter.
Möjligheter och risker med att koppla hjärnan till elektronik
Om tekniken rör sig mot medicinska användningar 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 funktionerna hos förlorade neuroner. Det skulle utgöra en revolution i likhet med införandet av antibiotika förra seklet.
Gränssnitt som förbinder hjärnan med elektronik framkallar alltid en spänning mellan fascination och oro. Å ena sidan lockar visionen om att återvinna förlorade funktioner, å andra sidan tvingar den oss att reflektera över gränserna för mänsklig modifiering — och över vem som ska förvalta så känsliga data som neuronal aktivitet. Frågor om cybersäkerhet och integritet kommer att vara avgörande.
Det är också värt att komma ihåg att neuroner inte bara är kablar som leder impulser. Varje cell har sin egen kemi och metabolism och reagerar på hormoner och ämnen från omgivningen. En artificiell neuron, även en mycket avancerad, imiterar 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.
För dem som följer utvecklingen inom artificiell intelligens kan ämnet verka avlägset — men det finns en intressant koppling. Maskininlärning och neurala nätverk i datorer låter sig bara symboliskt inspireras av biologin. Neuromorf integration försöker närma sig den verkliga hjärnan på 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.
