Artificiell neuron kommunicerar med mänsklig hjärna – genombrott från USA chockar forskare

Varför neuroner är så viktiga – och så sårbara

Forskare vid University of Massachusetts har i Nature Communications beskrivit en elektronisk krets som inte bara imiterar hjärnans signaler, utan faktiskt fungerar i en miljö som motsvarar den där riktiga neuroner arbetar. Detta kan i grunden förändra hur vi behandlar neurologiska sjukdomar – och hur vi utformar hjärninspirerad elektronik.

Hjärnan utgör ett tätt nätverk av kopplingar. Enligt uppgifter från hjärnforskningsinstitut består den av omkring 100 miljarder neuroner – specialiserade nervceller som förmedlar information. Varje neuron har tre huvuddelar: cellkroppen, dendriterna och axonet.

Dendriterna fångar upp signaler från andra celler. I cellkroppen bearbetas dessa signaler, och axonet fungerar som en ledning som skickar den elektriska impulsen vidare till nästa neuron. På en bråkdels sekund passerar miljontals sådana impulser genom hjärnan – de styr våra rörelser, känslor och minnen.

Problemen uppstår när neuroner slutar fungera eller dör. Skador i nervsystemet kan leda till:

• rörelsestörningar som Parkinsons sjukdom,
• sensoriska problem och förändrad perception,
• allvarliga minnesproblem som vid Alzheimers sjukdom.

Till skillnad från många andra celltyper förnyas neuroner inte lätt. När de är förlorade är de som regel borta för alltid. Därför har neurologi och biomedicinsk teknik i åratal sökt sätt att skydda eller ersätta dem.

Teknologi som kan efterlikna en neurons arbete så exakt att hjärnan ”uppfattar den som sin egen” är av särskilt stor betydelse.

Vad är neuromorf integration

Den nya artificiella neuronen från Massachusetts är en del av en bredare trend som kallas neuromorf integration. Tanken är att utforma elektronik som så exakt 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 hjärnan: parallellt, energibesparande och med korta impulser. I laboratorier utvecklas därför specialchips, ”artificiella synapser” och nya typer av transistorer som kan lära sig och anpassa sig.

Hittills har många av dessa försök stött på bristen på biologisk kompatibilitet. Enheterna fungerade antingen under alldeles för torra och sterila förhållanden, eller så skickade de elektriska signaler som var för kraftiga och inte passade hjärnans känsliga kemi.

Den nya artificiella neuronen: tyst, energieffektiv och ”fuktig”

Teamet från University of Massachusetts rapporterar att de har lyckats bryta dessa barriärer. Den artificiella neuron de har skapat kan kommunicera med en riktig neuron på ett sätt som mycket påminner om det naturliga – och den fungerar dessutom i en fuktig miljö som motsvarar den där nervceller lever.

Nyckeln visade sig vara proteinnanotrådar – mikroskopiska ledningar 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 sänkas ner i en lösning som motsvarar den vätska som omger neuroner.

Proteinnanotrådar fungerar som fina, naturliga ledningar som ”talar samma språk” som både elektronik och levande vävnad.

Detta är viktigt av två skäl. För det första kan en sådan artificiell neuron fysiskt samexistera med nervceller utan att kräva sterila, torra betingelser. För det andra är den känslig nog att arbeta vid spänningsnivåer som motsvarar dem våra hjärnor producerar.

Energiförbrukning som i en riktig hjärna

Tidigare konstruktioner av artificiella neuroner krävde upp till tio gånger högre spänning än naturliga nervceller. Detta resulterade i hundra gånger större energiförbrukning och en signal som var alldeles för kraftig för att biologin skulle uppfatta den korrekt.

Det nya elementet arbetar vid en spänning på cirka 0,1 volt – ungefär detsamma som en mänsklig neuron genererar. Enligt en av ingenjörerna bakom projektet liknade de tidigare versionerna en person som skriker i megafon och tränger in i ett tyst föreläsningsrum. Den nya lösningen beter sig snarare som en person som talar dämpad och anpassar sin ton till omgivningen.

Därmed dominerar den artificiella neuronen inte det biologiska systemet – den samverkar faktiskt med det. Vi har för första gången en verklig chans för äkta tvåvägskommunikation: elektroniken läser av signaler från neuronen och skickar ett svar tillbaka på ett ”språk” som neuronen förstår.

Hur denna teknologi kan förändra medicin och elektronik

Att skapa en artificiell neuron betyder förstås inte att en fullt fungerande ”artificiell hjärnbark” dyker upp i morgon. Riktningen är dock klar – 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 – mer exakta, mindre invasiva och bättre anpassade till hjärnans signaler;
• Proteser för skadade hjärnområden – artificiella neuroner skulle kunna ta över delar av de förlorade cellernas uppgifter;
• Neuromorfa processorer – hjärninspirerade kretsar som är långt mer energieffektiva än klassiska CPU:er och GPU:er;
• Bättre hjärna-dator-gränssnitt – mer subtil kommunikation med neuroner än med nuvarande system baserade på metallelektroder.

Genom att arbeta vid spänningar nära den biologiska nivån öppnar sådana kretsar vägen för miniatyr, energivänliga medicinska enheter som kan bäras i kroppen i åratal.

Ju lägre spänning och energiförbrukning, desto närmare är vi elektronik som beter sig som vävnad – istället för som en främmande kropp.

Vad händer vidare med forskningen om artificiella neuroner

Än så länge har vi ett enda element som beter sig lovande under laboratorieförhållanden. De nästa utmaningarna är uppenbara: neuronens stabilitet över längre tid ska undersökas, liksom dess motståndskraft mot temperaturförändringar, kemiska fluktuationer och dess förmåga att fungera i ett nätverk med andra celler.

Forskarna kommer också att behöva avgöra hur många sådana artificiella neuroner bäst kopplas samman med levande vävnad: hur många som behövs, i vilka mönster, och hur man styr deras ”inlärning”. Här handlar det inte bara om ingenjörskonst, utan också om etik – frågorna om gränserna för ingrepp i hjärnan kommer att bli alltmer brännande.

Möjligheter och risker: vad bör vi redan nu förbereda oss på

Om teknologin rör sig mot medicinska tillämpningar kan Parkinson- och Alzheimerpatienter få helt nya behandlingsverktyg till sitt förfogande. Istället för att bara lindra symtomen skulle läkare få möjlighet att delvis återuppbygga funktioner hos förlorade neuroner.

Gränssnitt som förbinder hjärnan med elektronik skapar alltid en spänning mellan fascination och rädsla. Å ena sidan lockar de med visionen om att återskapa förlorade funktioner – å andra sidan tvingar de oss att reflektera över gränserna för mänsklig modifiering och över vem som ska förvalta så känsliga data som neuronal aktivitet.

Det är också värt att komma ihåg att neuroner inte bara är ”kablar” för elektriska impulser. Varje cell har sin egen kemi, sin egen metabolism och reagerar på hormoner och substanser från omgivningen. En artificiell neuron – även en mycket avancerad sådan – återger 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 artificiell intelligens kan detta ämne verka avlägset – men det finns faktiskt en intressant bro här. Maskininlärning och neurala nätverk i datorer är bara symboliskt inspirerade av biologin. Neuromorf integration försöker närma sig den äkta 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 närmare det sätt som vårt eget nervsystem faktiskt fungerar.