‘Brainoware’ combineert hersenweefsel met elektronica

Onderzoekers hebben een hybride biocomputer gebouwd: een combinatie van in het laboratorium gekweekt menselijk hersenweefsel met conventionele elektronische circuits. Hij kan taken als stemherkenning uitvoeren.

De technologie, die werd beschreven in Nature Electronics, zou op een dag kunnen worden geïntegreerd in systemen voor kunstmatige intelligentie (AI), of de basis kunnen vormen voor verbeterde modellen van de hersenen in neurowetenschappelijk onderzoek.

De onderzoekers noemen het systeem Brainoware. Het maakt gebruik van hersenorganoïden – bundels van weefsel-nabootsende menselijke cellen die in onderzoek worden gebruikt om organen te modelleren. Organoïden zijn gemaakt van stamcellen die zich kunnen specialiseren in verschillende soorten cellen. In dit geval werden ze veranderd in neuronen, vergelijkbaar met die in onze hersenen.

Het onderzoek heeft tot doel “een brug te slaan tussen AI en organoïden”, aldus co-auteur Feng Guo, een bio-ingenieur aan de Universiteit van Indiana Bloomington. Sommige AI-systemen zijn afhankelijk van een neuraal netwerk. “We wilden de vraag stellen of we het biologische neurale netwerk binnen de hersenorganoïde kunnen gebruiken voor computergebruik”, zegt hij.

Het benutten van denkkracht

Om Brainoware te maken, plaatsten onderzoekers een enkele organoïde op een plaat met duizenden elektroden, om het hersenweefsel met elektrische circuits te verbinden. Vervolgens zetten ze de ingevoerde informatie om in een patroon van elektrische pulsen en gaven deze door aan de organoïde. De reactie van het weefsel werd opgepikt door een sensor en gedecodeerd met behulp van een machine learning algoritme.

Brainoware werd getest op stemherkenning (240 opnames van 8 sprekende mensen). De organoïde genereerde als reactie op elke stem een ander patroon van neurale activiteit. De AI leerde deze antwoorden interpreteren om de spreker te identificeren, met een nauwkeurigheid van 78%.

Hoewel er meer onderzoek nodig is, bevestigt het onderzoek enkele belangrijke theoretische ideeën die uiteindelijk een biologische computer mogelijk zouden kunnen maken, zegt Lena Smirnova, ontwikkelingsneurowetenschapper aan de John Hopkins Universiteit in Baltimore. Eerdere experimenten hebben aangetoond dat 2D-culturen van neuroncellen vergelijkbare rekentaken kunnen uitvoeren, maar dit is de eerste keer dat dit is aangetoond in een 3D-hersenorganoïde.

Beter hersenmodel

Door organoïden en circuits te combineren, kunnen onderzoekers de snelheid en energie-efficiëntie van menselijke hersenen benutten voor AI, zegt Guo. De technologie zou ook kunnen worden gebruikt om de hersenen te bestuderen, zegt Arti Ahluwalia, biomedisch ingenieur aan de Universiteit van Pisa in Italië, omdat hersenorganoïden de architectuur en functie van een werkend brein kunnen nadoen op manieren die enkelvoudige celculturen niet kunnen.

Brainoware zou geschikt kunnen zijn voor het modelleren en bestuderen van neurologische aandoeningen, zoals de ziekte van Alzheimer. Het kan ook worden gebruikt om de effecten en toxiciteiten van verschillende behandelingen te testen. “Dat is waar de belofte ligt; we zullen deze gebruiken om op een dag hopelijk diermodellen van de hersenen te vervangen”, zegt Ahluwalia.

Hoe hou je ze in leven?

Maar het gebruik van levende cellen voor computers is niet zonder problemen. Een groot probleem is hoe de organoïden in leven kunnen worden gehouden. De cellen moeten in incubators worden gekweekt en onderhouden, iets dat moeilijker zal worden naarmate de organoïden groter worden. En complexere taken zullen grotere ‘hersenen’ vergen, zegt Smirnova.

Om voort te bouwen op de capaciteiten van Brainoware, zegt Guo dat nu moet worden onderzocht of en hoe hersenorganoïden kunnen worden aangepast om complexere taken uit te voeren, en deze stabieler en betrouwbaarder te maken dan ze nu zijn. “Dit zal van cruciaal belang zijn als ze moeten worden ingebouwd in de siliciummicrochips die momenteel worden gebruikt in AI-computers.”