Kunstig nevron kommuniserer med menneskehjernen: Et gjennombrudd fra USA

Hvorfor hjernens nerveceller er både uunnværlige og sårbare

Forskere ved University of Massachusetts har nylig presentert et bemerkelsesverdig elektronisk system i det anerkjente tidsskriftet Nature Communications. Denne teknologien er i stand til å etterligne hjernens komplekse signaler på en direkte måte. Det som gjør det særlig imponerende, er at systemet fungerer under nøyaktig de samme fuktige forholdene som våre egne nerveceller trives i.

Dette fremskrittet representerer aller første gang ekte toveiskommunikasjon mellom levende nervevev og en kunstig nevron er oppnådd. Det kan potensielt revolusjonere fremtidens behandling av nevrologiske lidelser og måten vi designer biologisk inspirert elektronikk på.

Ifølge data fra Brain Institute består hjernen vår av et utrolig tett nettverk med rundt 100 milliarder nevroner. Disse livsviktige cellene er bygget for å overføre informasjon og er delt inn i tre primære komponenter: cellekroppen, dendrittene og aksonet. Dendrittenes oppgave er å samle inn signaler utenfra, deretter bearbeider cellekroppen dataene, og aksonet sender den elektriske impulsen videre.

Når disse uerstattelige nevronene begynner å svikte eller dø, oppstår det alvorlige problemer. I motsetning til hud eller bein har nervesystemet vårt ekstremt vanskelig for å bygge seg opp igjen. En tapt nervecelle er som oftest borte for alltid, noe som har drevet biomedisinske ingeniører til å søke etter metoder for å beskytte nettverket mot nedbrytning.

Skader på nervebanene kan føre til en rekke alvorlige tilstander:

• Fysiske bevegelsesforstyrrelser, slik vi ser ved Parkinsons sykdom
• Alvorlige kognitive problemer og svekket hukommelse, kjent fra Alzheimers sykdom
• Markante forstyrrelser i evnen til å oppfatte sanseinntrykk
• Totalt tap av avgjørende motoriske funksjoner
• Gradvis og invalidiserende nedbrytning av kroppens nervevev
• Kroniske nevrologiske smerter og lidelser

Hva nevromorfisk integrasjon egentlig innebærer

Det overordnede målet for vitenskapen har vært å skape en komponent som etterligner biologien så overbevisende at hjernen aksepterer den som sin egen. Den nyskapende oppfinnelsen fra USA er en del av en spennende teknologisk bølge kalt nevromorfisk integrasjon. Formålet er å bygge kretser som kopierer både oppbygningen og atferden til naturlige synapser til fulle.

Der tradisjonelle prosessorer behandler data strengt og lineært, forsøker disse nye systemene å arbeide akkurat slik hjernen gjør. Dette innebærer lynrask parallell databehandling og et utrolig lavt energiforbruk. I laboratoriene jobbes det på høygir for å utvikle smarte brikker og transistorer som faktisk kan lære og tilpasse seg omgivelsene.

Tidligere forsøk på å bygge kunstige nevroner har ofte støtt på en biologisk vegg. Enhetene krevde enten tørre, sterile miljøer for å fungere, eller de sendte ut altfor kraftige elektriske støt som forstyrret hjernens fine kjemi. Forskerteamet ved University of Massachusetts har imidlertid knekket koden og overvunnet disse store hindringene.

Den kunstige nevronene trives i hjernens fuktige miljø

Et av de mest imponerende aspektene ved det nye gjennombruddet er evnen til å fungere helt sømløst i et vått og fuktig miljø. Hemmeligheten bak denne suksessen er integrasjonen av mikroskopiske proteinnanotråder laget av spesifikke bakterier. I naturen bruker bakteriene disse fine trådene til å feste seg og utveksle elektroner med omgivelsene.

Denne naturlige egenskapen har ingeniørene utnyttet til å bygge en organisk, strømførende struktur som tåler å bli nedsenket i nøyaktig den samme væsken som omgir hjernens celler. Proteintrådene fungerer som en skånsom bro mellom den kalde elektronikken og det varme, levende vevet.

Dette er avgjørende av to grunner. For det første trenger utstyret ikke lenger å være innkapslet i tørre bokser, men kan eksistere i direkte fysisk kontakt med biologien. For det andre er systemet så ekstremt følsomt at det fanger opp kroppens svakeste signaler. En av teamets ingeniører sammenlignet eldre teknologier med å rope inn i en megafon i et stille bibliotek, mens den nye modellen oppfører seg som en som hvisker dempet og leser rommets stemning.

Energiforbruk som speiler biologien nøyaktig

Tidligere generasjoner av elektroniske nerveceller trakk opptil ti ganger mer strøm enn menneskekroppens egne celler. Dette resulterte ikke bare i et enormt energiforbruk, men betydde også at signalene var altfor kraftige til at det biologiske systemet kunne lese dem korrekt. Derfor var det essensielt for forskerne å redusere det elektriske avtrykket betydelig.

Det banebrytende nye elementet opererer nå ved en ultralav spenning på bare 0,1 volt. Dette nivået samsvarer nesten nøyaktig med den elektriske ladningen en menneskelig nervecelle selv sender ut. Av den grunn dominerer ikke maskinen over biologien, men inngår i stedet i en likeverdig og flytende dialog med vevet.

Elektronikken lytter rett og slett til cellens input og leverer et presist svar tilbake på nervesystemets eget språk. Ved å operere på disse mikroskopiske spenningsnivåene åpnes det dører for fremtidens små, strømsparende implantater som potensielt kan holde seg aktive inne i menneskekroppen i tiår. Vi nærmer oss en tid der elektronikk oppfattes som naturlig vev snarere enn et fremmedlegeme.

Slik kan teknologien forvandle fremtidens medisin

Selv om skapelsen av én enkelt kunstig celle ikke betyr at vi kan skrive ut en komplett kunstig hjernebark i morgen, viser det utvilsomt veien fremover. Etter hvert som vi mestrer utviklingen av disse grunnleggende byggeblokkene, blir det uendelig mye enklere å flette dem sammen til store, intelligente nettverk. Ekspertene forutser allerede nå en rekke revolusjonerende bruksområder.

Fremtidens nevrologiske hjelpemidler vil sannsynligvis bli langt mindre kirurgisk inngripende og skreddersydd til hjernens unike rytmer. Samtidig vil fremtidige datamaskiner bygget med nevromorfiske prosessorer overgå tradisjonelle CPU– og GPU-arkitekturer med god margin når det gjelder energieffektivitet. Denne teknologien skaper et fundament for grenseoverskridende hjerne-datamaskin-integrasjon:

• Mindre invasive og langt mer presise implantater for hjernen
• Intelligente, biologiske proteser som kan erstatte ødelagte hjerneområder
• Supereffektive og strømsparende nevromorfiske mikrobrikker
• Kommunikasjon med nervene som er uendelig mye skånsom enn dagens metallelektroder
• Usynlige medisinske apparater skapt for livslang overvåkning inne i kroppen
• Nye terapeutiske muligheter for pasienter som lever med Parkinsons sykdom
• Grunnlag for helt nye behandlingsstrategier mot Alzheimers sykdom
• Avanserte grensesnitt som smelter menneske og maskin sammen

Neste steg for den nevromorfiske forskningen

Så langt har vitenskapen bevist at ett enkelt element kan oppføre seg svært lovende i et lukket laboratoriemiljø. Den neste åpenbare utfordringen blir å bekrefte teknologiens levetid og stabilitet i den virkelige verden. Forskerne må nå stressteste hvordan den kunstige nevronene motstår kraftige temperatursvingninger, kjemiske ubalanser og det massive presset fra å være koblet sammen med tusenvis av andre celler.

I tillegg venter den komplekse oppgaven med å avkode hvordan disse elektroniske systemene best integreres i stor skala med ekte, pulserende vev. Hvor mange kunstige enheter trengs for å skape merkbare resultater, og hvordan styrer man læringskurven deres? Dette reiser i høy grad også etiske spørsmål om hvor dypt vi som samfunn bør tillate teknologien å grave seg inn i den menneskelige bevisstheten.

Lykkes teknologien virkelig med å bryte gjennom på sykehusene, vil det skape et paradigmeskifte for pasienter med alvorlige hjernelidelser. I stedet for kun å symptombehandle med medisin får kirurger og leger plutselig muligheten til faktisk å gjenoppbygge de funksjonene sykdommen har stjålet.

Fremtidens muligheter og uunngåelige etiske dilemmaer

Enhver teknologi som kobler menneskehjernen til datamaskiner, skaper uunngåelig en friksjon mellom dyp fascinasjon og berettiget frykt. Selv om visjonen om å kurere det uhelbredelige er tiltrekkende, tvinger den oss også til å ta stilling til modifisering av menneskekroppen. Dertil kommer den brennende debatten om hvem som i siste instans skal eie og beskytte de mest intime dataene som finnes: våre egne tankemønstre.

Det er utrolig viktig å huske at biologien vår ikke bare består av passive strømkabler. Hver eneste nervecelle har sitt eget unike stoffskifte og lar seg styre av kroppens komplekse cocktail av hormoner og enzymer. I sin nåværende form er den kunstige nevronene primært i stand til å kopiere selve det elektriske laget av denne prosessen.

Derfor vil denne typen oppfinnelser i mange år fremover primært tjene som en avansert støttepillar snarere enn en faktisk én-til-én-erstatning for levende vev. Likevel bygger prosjektet en fascinerende bro til den digitale verden. Der moderne maskinlæring i dag kun lar seg inspirere av hjernen i teorien, forsøker nevromorfisk integrasjon å bygge maskinvaren fullstendig som oss.

Når den biologiske innsikten for alvor forenes med de teknologiske fremskrittene, står vi på terskelen til en ny æra av maskiner. Fremtidens utstyr vil ikke bare være beregningsmessig overlegent, men vil fungere i total harmoni med logikken i vårt eget nervesystem. Det handler ikke lenger kun om rå databehandlingskraft, men om den ultimate kompatibiliteten med selve den menneskelige naturen.