Onderzoekers bouwen kunstmatige hybride synaps

Een wetenschapper van de Eindhovense universiteit TU/e heeft, samen met collega's van het Italiaanse Technologie-instituut en de Stanford-universiteit, een kunstmatige synaps ontwikkeld en getest met levende neuronen.

De onderzoeker, Yoeri van de Burgt, had eerder al werkende samples gemaakt van de kunstmatige synapsen, de structuren van neuronen die voor signaaloverdracht tussen neuronen verantwoordelijk zijn. Al in 2017 werd de eerste versie gemaakt en twee jaar later, in 2019, werd een klein netwerk met negen synapsen gebouwd. De onderzoekers publiceren in Nature Materials hoe hun synapsen interacteren met levend weefsel en zo gebruikt kunnen worden om signalen van neuronen uit te lezen.

De kunstmatige synapsen zijn uniek omdat ze, anders dan bestaande methoden om de activiteit van neuronen te detecteren, niet elektrisch, maar elektrochemisch functioneren. Daarmee lijkt hun werking veel meer op die van echte synapsen, waar neurotransmitters de afstand tussen twee neuronen overbruggen. Bovendien hebben de kunstmatige synapsen het vermogen om te leren, waardoor het bijzonder energiezuinige proces waarop neuronen informatie verwerken, geëmuleerd zou kunnen worden.

Foto: Yoeri van de Burgt

De synaps bestaat uit twee elektroden van zachte polymeren die biocompatibel zijn. Tussen de elektroden zit een met elektrolyt gevulde geul. Als een levende neuron op een van de elektroden wordt geplaatst en neurotransmitters afgeeft, worden aan die elektrode ionen gevormd die op hun beurt door de geleidende geul bewegen en bij de tweede elektrode een verandering in diens geleidbaarheid veroorzaken. Zo verandert de potentiaal van die elektrode en wordt het signaal overgebracht.

Omdat niet alle lading bij de ontvangende elektrode verdwijnt, blijft de geleidbaarheid permanent beïnvloed, waardoor een zwakker signaal voldoende zou zijn om de elektrode of synaps opnieuw te triggeren. Dit lerend vermogen van de kunstmatige synapsen werd getest met neuronen van ratten die dopamine als neurotransmitter gebruiken.

Hoewel de wetenschappers aangeven dat het onderzoek nog in een zeer vroeg stadium is, zouden de kunstmatige synapsen op termijn gebruikt kunnen worden om elektronica, waaronder protheses, te laten communiceren met neuronen. Dankzij het zelflerend vermogen zouden algoritmes die nu nog nodig zijn voor signaalverwerking, met de nieuwe synapsen overbodig kunnen worden. De signalen zouden door het lerende neurale netwerk automatisch op basis van biofeedback kunnen worden aangepast.

Reacties (29)

[bbob]

De combinatie tussen bio en tech. Doel een programmeerbaar brein ?

[the_yoeri]

Ons doel hiermee was voornamelijk om aan te kunnen tonen dat we niet alleen signalen uit het brein kunnen meten, maar deze ook lokaal op kunnen slaan. Dit heeft als voordeel dat we dichtbij het brein kunnen blijven en dus minder data doorvoer nodig hebben en deze ook sneller beschikbaar is. Daarnaast is het zo dat normaliter alleen elektrische signalen kunnen worden gemeten, waar wij nu dus ook in staat zijn om de chemische informatie (die juist verantwoordelijk is voor leren en geheugen) te meten en op te slaan.

Praktisch gezien voorzien we dus dat we hiermee verbindingen kunnen maken die persoonlijker zijn (niet iedere verbinding voor bijvoorbeeld een prothese hoeft hetzelfde te zijn) maar ook adaptief kunnen zijn. Je kan dan denken aan dat deze verbinding altijd kan blijven leren en optimaliseren.

Maar ook bijvoorbeeld slimme biosensoren die lokaal getraind kunnen worden en beslissen of ze medicijnen moeten loslaten. Dit is namelijk ook vrij afhankelijk van de persoon/ziekte. We hopen daarom dat dit ook een eerste stap is in de richting van personalized en wellicht regenative medicine.

[bbob]

Lees dat je dus chemische informatie kan opslaan, leren maar neem aan voor het doel dat de informatie dan ook teruggestuurd kan worden naar het brein met het juiste signaal.

De verbindingen kunnen adaptief zijn, leren en optimaliseren, feitelijk wat een mens ook doet als deze leert lopen, voetbalen, gevechtssport. Als mens blijf je ook leren en aanpassen aan dat wat je geleerd hebt.

De vraag blijft met deze ontwikkelingen natuurlijk waar ze straks nog meer voor gebruikt kunnen worden. We denken nu misschien aan ai op basis van een cpu maar is het zo gek te denken dat we straks niet gewoon een chemisch/elektrisch brein kunnen nabouwen en programmeren.

[S1W]

Noob vraag: wat is de snelheid waarmee je 'data' kan versturen via deze nieuwe synaps? Zou je bijvoorbeeld full-hd beeld naar de hersenen kunnen versturen via een oogimplantaat?

[DigitalExorcist]

Maar..... suggereer je hiermee:

niet alleen signalen uit het brein kunnen meten, maar deze ook lokaal op kunnen slaan.

... dat het uiteindelijk mogelijk kán zijn om 'de inhoud van een brein' op te slaan? Dat zou wel een dingetje zijn zeg...

[FragFrog]

Chemische signalen worden al jaren gedetecteert. Hoewel dit vrij lang nogal grof ging (voornamelijk FSCV / FSCAV heeft beperkte spatial resolution maar is gebaseerd op hetzelfde principe van dopamine oxidation) kunnen we tegenwoordig middels bijvoorbeeld catecholaminesensoren als dLight en GRABDA exact volgen hoe en waar chemische transmissie plaatsvindt.

Ik zie niet hoe dit gebruikt kan worden om signalen uit het brein te meten; hersencellen ex vivo op een chip gooien is leuk maar niet toepasbaar op in vivo detectie. Sowieso vindt het meeste leerwerk niet plaats in de neuromuscular junction (daar heb je een spinal cord en cerebellum voor), en zijn die synapses cholinergic, niet dopaminergic.

[walteij]

Nee, uit het artikel:

Hoewel de wetenschappers aangeven dat het onderzoek nog in een zeer vroeg stadium is, zouden de kunstmatige synapsen op termijn gebruikt kunnen worden om elektronica, waaronder protheses, te laten communiceren met neuronen.

Dus protheses kunnen aansturen via de hersenen en het zenuwstelsel.
Maar in theorie zou je heel veel van deze hybride snaps kunnen maken om zo een kunstmatig brein te ontwikkelen. Dit zou AI een heel andere kant op kunnen sturen.Geen learning sets meer, maar de AI gewoon de wereld in sturen en zo laten leren.
Wie weet hebben we dan weer binnen enkele dagen een racistische bot.

[SherlockHolmes]

Haha, geniaal. Blijft mooi om te lezen over Tay. bijzonder hoe een puur neutraal netwerk meteen een bepaalde kant opgaat als er 0,0 censuur is ingebouwd.

[damaus]

Ja maar was dat de schuld van de bot? of juist omdat mensen zagen dat het een lerende bot was en daarom expres racistische dingen gingen tweeten zodat de bot dat zou leren?

[Sebben]

Als je het zo zegt, lijkt het net alsof Tay zelf onderzoek heeft gedaan en daarop een mening heeft gevormd. Dit lijkt echter meer een resultaat te zijn van het werk van trolls:

Some users on Twitter began tweeting politically incorrect phrases, teaching it inflammatory messages revolving around common themes on the internet, such as "redpilling" and "Gamergate". As a result, the robot began releasing racist and sexually-charged messages in response to other Twitter users.

[bbob]

Dit is nog maar het begin tussen de samensmelting van verschillende systemen. We kunnen nu processoren die elektrisch werken maar ons brein werkt natuurlijk chemisch elektrisch.

Denk dat we over aantal jaren hier veel meer van kunnen zien en de samensmelting ook met ons brein mogelijk zal zijn.

[CH4OS]

Dus protheses kunnen aansturen via de hersenen en het zenuwstelsel.

Dan is andersom natuurlijk een kwestie van tijd lijkt me.

[SMRF]

Ruggemergherstel?
Of futuristischer: breinextensies voor mens en dier. Biochemische netwerkkoppelingen, een chemisch gekoppelde draadloos-netwerkinterface waarmee mens en dier kunnen koppelen. Mogelijkheden zijn eindeloos!

[bbob]

Ruggenmergherstel, eerder het overbruggen van de beschadiging. Uiteindelijk werkt ons brein ook elektrisch met signalen. Men is al bezig met protheses deze aan te leren uit te lezen en signalen terug te sturen. Dat is natuurlijk pas het begin en ja de mogelijkheden zijn eindeloos, de vraag is echter hoe die mogelijkheden gebruikt gaan worden, voor wie zijn ze bestemd, te betalen.
Sci-fi films komen steeds dichterbij.

[Hengst]

Ghost in the Shell-achtige integratie tussen mens en machine. Maar voordat deze technologie op dergelijk praktisch niveau is zijn heel wat jaren verder. Dus niet te vroeg juichen.

De grote vraag die we hiermee weer kunnen stellen is wat drijft ons als levende wezens, hoe werken we eigenlijk. Wat maakt ons anders dan andere diersoorten op de planeet die er niet in zijn geslaagd de aarde te overheersen. Dat soort vragen lijken me interessant om hiermee te onderzoeken.

Of zouden we een persoonlijkheid kunnen programmeren? Noem maar iets. Dan wordt sci-fi wel snel echt.

[SMRF]

Hoogwaardige communicatie tussen entiteiten op fysiologisch niveau. Misschien ontdekken we een achtergrond persoonlijkheid: gaia!

[Hengst]

Jammer dat ik je hier geen + op kan geven. Maar mooie hypothese

[darkfader]

Nu nog een brein kunnen uitlezen/kopiëren/terugschrijven.

[Yzord]

Mooi en eng tegelijkertijd. Het zal maar eens in de verkeerde handen vallen of met verkeerde bedoelingen door ontwikkeld worden.

[Simyager]

Zolang die geen trek krijgt in vleermuizensoep moet het wel goed komen .

Met mensen zal het de komende 10 jaar nog niet kunnen concurreren als ik het zo zie. Maar krijgen we straks enorme Mind Hives? Of wordt het een gevecht tussen de silicon AI vs Bio-engineered Mind Hive?

Toekomst gaat nog leuk worden .

[SherlockHolmes]

Deus Ex Human Revolution hebben we over tien jaar.

[Sicco2]

resistance if futile

[walteij]

Ik zat te denken aan Aida/Ophelia.

[WienerBlut]

Mooi en eng tegelijkertijd. Het zal maar eens in de verkeerde handen vallen of met verkeerde bedoelingen door ontwikkeld worden.

<off-topic>We hebben bijna allemaal Rocky IV gezien Dat was niet mis!</off-topic>

[TheGreatAtuin]

Gaaf! Het idee dat je een I/O signaal kunt versturen middels een elektrochemische stof en zelfs een verschil in lading pre- en postpotentiaal kunt maken (belangrijk voor de rustfase - waarin geen nieuwe actiepotentiaal kan worden gevormd) is inderdaad erg belangrijk. Als je dit proces zou kunnen verkleinen en compatibel met zenuwen, dan heb je je brain-machine interface te pakken. Veel mooier en preciezer dan wat we nu hebben.

Dit is een enorm ding natuurlijk, een synaps in het brein is pak 'm beet 10-40 nm groot, en de synapsspleet is zo klein mogelijk om het signaal "instantaneous" te versturen. Leuk feitje: de afstand tussen synapsen kan enorm zijn, er zijn een paar extremiteitszenuwen die over de 100cm lengte gaan. En dat vrijwel zonder verlies van precisie of lag.

[Reactie gewijzigd door TheGreatAtuin op 27 juli 2024 17:30]

[gitaarwerk]

Vet! (oh nee, weefsel..)

Ik vraag me af wanneer een lift uitgevoerd word met deze dingen

[xception]

I see what you did there. Ik vermoed dat Huub en Willeke tegenwoordig de trap nemen en nu al helemaal.

[Illegal_Alien]

Hmm, Startrek Voyager Gelpacks?

[NZwaal]

Ik zou graag het artikel lezen (DOI: 10.1038/s41563-020-0703-y), maar ik heb geen toegang tot Nature Materials. Is/komt het artikel nog in open-access?