Ingenieurs hebben een belangrijke mijlpaal bereikt in de bio-elektronica door geprinte kunstmatige neuronen te ontwikkelen die kunnen “praten” met biologische cellen in levende hersenen. Deze doorbraak, onlangs gepubliceerd in Nature Nanotechnology, biedt een potentiële routekaart voor twee transformatieve velden: zeer efficiënt neuromorf computergebruik en geavanceerde brain-computer interfaces (BCIs).
De uitdaging: waarom silicium de hersenen niet goed doet
Om te begrijpen waarom deze ontdekking ertoe doet, moet men kijken naar de fundamentele onverenigbaarheid tussen de huidige technologie en de menselijke biologie.
Traditioneel computergebruik is afhankelijk van siliciumchips: stijve, tweedimensionale structuren gemaakt van vaste transistors. Het menselijk brein is daarentegen een dynamische, 3D-matrix van flexibele cellen. Biologische neuronen evolueren voortdurend; hun verbindingen worden sterker door gebruik en vervagen wanneer ze worden verwaarloosd.
De huidige brein-computerinterfaces hebben het vaak moeilijk omdat ze proberen te communiceren met kwetsbaar zenuwweefsel met behulp van ‘ruwe’ elektrische pulsen die niet overeenkomen met de natuurlijke taal van de hersenen. Deze mismatch kan leiden tot slechte integratie en beperkte functionaliteit.
De innovatie: het nabootsen van de “Spike”
Eerdere pogingen om kunstmatige neuronen te creëren vielen over het algemeen in twee kampen:
1. Zachte organische materialen (zoals gels): Deze bootsen de textuur van de hersenen na, maar zijn vaak te langzaam om de neurale signalen te evenaren.
2. Hardmetaaloxiden: Deze zijn snel genoeg, maar missen de biologische nuance.
Het onderzoeksteam, onder leiding van Mark Hersam van de Northwestern University, omzeilde dit dilemma door bedrukbare inkten te gebruiken die molybdeendisulfide (een halfgeleider) en grafeen (een geleider) bevatten op een flexibel polymeersubstraat.
Hoewel polymeren doorgaans worden gezien als obstakels voor de elektrische stroom, ontdekte het team dat ze in hun voordeel konden worden gebruikt. Door nauwkeurig te controleren hoe het polymeer opwarmt en gedeeltelijk ontleedt, creëerden ze kleine ‘energiefilamenten’. Hierdoor kan het apparaat een “negatieve differentiële weerstand” produceren: een plotselinge uitbarsting en daaropvolgende daling van de energie die nauw aansluit bij de manier waarop een echt neuron “piekt”.
De verbinding bewijzen
Om de werkzaamheid van deze in het laboratorium gemaakte cellen te testen, plaatsten de onderzoekers de kunstmatige neuronen naast plakjes hersenweefsel van muizen. De resultaten waren zeer bemoedigend: de biologische neuronen reageerden in hetzelfde tempo op de kunstmatige signalen als op natuurlijke signalen. Dit suggereert dat de hersenen deze synthetische signalen effectief kunnen ‘decoderen’ alsof ze van biologische oorsprong zijn.
Toekomstige horizonten en resterende hindernissen
De implicaties van deze technologie zijn enorm, variërend van medische en computationele doorbraken tot:
– Neuromorphic Computing: Het creëren van AI-hardware die de architectuur van de hersenen nabootst, waardoor het enorme energieverbruik dat nodig is voor de huidige digitale AI drastisch wordt verminderd.
– Medische protheses: Het ontwikkelen van meer naadloze interfaces voor het besturen van robotledematen of hulpmiddelen.
– Neuroregeneratie: Potentieel gebruik van kunstmatige neuronen om beschadigde cellen te vervangen bij patiënten die lijden aan degeneratieve ziekten zoals Alzheimer.
De weg vooruit
Ondanks deze vooruitgang waarschuwen deskundigen dat we nog niet klaar zijn voor permanente hersenimplantaten. Timothée Levi, hoogleraar bio-elektronica, merkt op dat hoewel we deze neuronen voor korte tijd kunnen controleren, stabiliteit op de lange termijn een groot obstakel blijft.
Bovendien is één enkel neuron slechts een stukje van de puzzel. Het ‘grensprobleem’ waarmee wetenschappers worden geconfronteerd is integratie. Om de hersenen echt te repliceren, moeten onderzoekers uitzoeken hoe ze deze kunstmatige neuronen met elkaar kunnen verbinden via kunstmatige synapsen om complexe, functionerende circuits te creëren.
“We hebben een reeks apparaten die verschillende elementen van de hersenen nabootsen, maar we moeten ze samen integreren in circuits die de volledige functionaliteit bereiken.” — Mark Hersam, Noordwestelijke Universiteit
Conclusie: Hoewel het vermogen om kunstmatige en biologische neuronen te synchroniseren een mijlpaal is, ligt de volgende grote uitdaging in het verbinden van deze individuele componenten tot complexe, langdurige neurale netwerken.
