Onderzoekers hebben een hybride biocomputer gebouwd die in een laboratorium gekweekt menselijk hersenweefsel combineert met conventionele circuits, en taken zoals stemherkenning kan uitvoeren.

De technologie, beschreven op 11 december in Natuurelektronica¹zou op een dag kunnen worden geïntegreerd in systemen voor kunstmatige intelligentie (AI), of de foundation kunnen vormen voor verbeterde modellen van de hersenen in neurowetenschappelijk onderzoek.

Organoïden openen nieuwe wegen naar biomedische vooruitgang

Onderzoekers noemen het systeem Brainoware. Het bevat hersenorganoïden: bundels weefselachtige 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”, zegt co-auteur Feng Guo, een bio-ingenieur aan de Universiteit van Indiana in Bloomington, Indiana.. Zowel AI als de hersenen zijn afhankelijk van het doorgeven van signalen rond een net van onderling verbonden knooppunten, ook wel een neuraal netwerk genoemd. “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 het Brainoware-systeem te maken, plaatsen onderzoekers een enkele organoïde op een plaat met duizenden elektroden om de hersenen met elektrische circuits te verbinden. Vervolgens vertalen ze de informatie die ze willen invoeren in een patroon van elektrische pulsen die ze aan de organoïde afgeven. De reactie van het hersenweefsel wordt opgepikt door een sensor en ‘gedecodeerd’ met behulp van een machine-learning-algoritme dat de informatie kan identificeren waarop het betrekking heeft.

Om de mogelijkheden van Brainoware te testen, gebruikte het staff deze techniek om stemherkenning uit te voeren door het systeem te trainen op 240 opnames van acht sprekende mensen, waarbij de audio werd omgezet in elektrisch geluid om aan de organoïde te leveren. Het minibrein reageerde anders op elke stem, waardoor een ander patroon van neurale activiteit ontstond. De AI leerde deze reacties interpreteren om de spreker te identificeren. Na coaching kon het systeem stemmen identificeren met een nauwkeurigheid van 78%.

Hoewel er nog veel meer onderzoek nodig is, bevestigt het onderzoek enkele belangrijke theoretische ideeën die uiteindelijk een biologische laptop mogelijk zouden kunnen maken, zegt Lena Smirnova, ontwikkelingsneurowetenschapper aan de John Hopkins Universiteit in Baltimore, Maryland. Eerdere experimenten hebben aangetoond dat alleen tweedimensionale culturen van neuroncellen vergelijkbare taken kunnen uitvoeren, maar dit is de eerste keer dat dit is aangetoond in een driedimensionale hersenorganoïde.

Beter hersenmodel

Door organoïden en computer systems te combineren, kunnen onderzoekers de snelheid en energie-efficiëntie van menselijke hersenen benutten voor AI, zegt Guo.

De hausse aan minimaagjes, hersenen, borsten, nieren en meer

De technologie zou ook kunnen worden gebruikt om de hersenen te bestuderen, zegt Arti Ahluwalia, een biomedisch ingenieur aan de Universiteit van Pisa in Italië, omdat hersenorganoïden de architectuur en functie van een werkend brein kunnen repliceren op manieren die eenvoudige celculturen niet kunnen. Er is potentieel om Brainoware te gebruiken voor het modelleren en bestuderen van neurologische aandoeningen, zoals de ziekte van Alzheimer. Het zou ook mogelijk kunnen zijn om de effecten en toxiciteiten van verschillende behandelingen te testen door te zien hoe de organoïden reageren. “Dat is waar de belofte ligt; we zullen deze gebruiken om op een dag hopelijk diermodellen van de hersenen te vervangen”, zegt Ahluwalia.

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

Om voort te bouwen op de mogelijkheden van Brainoware, zegt Guo dat de volgende stappen onder meer zijn: onderzoeken of en hoe hersenorganoïden kunnen worden aangepast om complexere taken uit te voeren, en deze stabieler en betrouwbaarder te maken. Dit zal van cruciaal belang zijn als ze moeten worden ingebouwd in de siliciummicrochips die momenteel worden gebruikt in AI-computers, zegt hij.