Direkte Verbindung zum Gehirn heise online

Künstliche Synapsen können die Arbeitsprozesse des Gehirns nachahmen. Forscher der Stanford University haben dies bereits 2017 mit experimentellen Komponenten gezeigt: Die neuronalen Lernprozesse konnten effizient und vor allem mit wenig Energie simuliert werden. 2019 wurde auch gezeigt, wie neun dieser künstlichen Synapsen gleichzeitig gesteuert werden und miteinander kommunizieren können.

Elektrochemischer Kontakt zwischen Gehirn und Maschine

Zusammen mit dem Istituto Italiano di Tecnologia IIT und der Technischen Universität Eindhoven kündigt Stanford nun folgende Fortschritte an: Bio-Hybrid-Elektrochemie-Kommunikation ist möglich. Insbesondere können die künstlich hergestellten Synapsen mit lebenden Zellen kommunizieren. Im Gehirn verwendete Geräte arbeiten normalerweise mit elektrischen Signalen, um die Nachrichten vom Gehirn zu erkennen und zu verarbeiten. Dieser Schritt könnte eines Tages mit dem neuen Verfahren entfernt werden.

Kommunikation ist ein „erster kleiner Schritt“ in Richtung verbesserter Kontaktpunkte zwischen Gehirn und Maschine, sagte Alberto Salleo, Professor für Materialwissenschaften an der Stanford University und einer der Autoren des Artikels. Scott Keene, Co-Autor und Doktorand von Stanford, bemerkt: „In einer biologischen Synapse wird im Wesentlichen alles durch chemische Wechselwirkungen am synaptischen Übergang gesteuert. Wenn Zellen miteinander kommunizieren, ist es immer chemisch.“ Die Tatsache, dass die künstlichen Synapsen mit der natürlichen Chemie des Gehirns interagieren können, verspricht nun weitere Vorteile.

Konstruktion der künstlichen Synapse

Die künstlichen Synapsen kommunizieren nicht nur elektrisch, sondern auch elektrochemisch mit den Neuronen. Hierzu werden zwei weiche Polymerelektroden verwendet, zwischen denen sich ein kleiner „Graben“ befindet. Es ist mit einer Elektrolytlösung gefüllt – basierend auf den synaptischen Löchern im Gehirn.

Wenn lebende Nervenzellen auf diesen Elektroden platziert werden, reagieren die Neurotransmitter der Gehirnzellen auf sie und produzieren Ionen. Die Ionen wandern über den Graben zur zweiten Elektrode und bilden eine Bindung. Diese Verbindungen wurden im Experiment sogar teilweise erhalten, was dem natürlichen Lernprozess im Gehirn entspricht. Bei digitalen Computern funktioniert das anders: Daten werden zuerst verarbeitet und erst dann in den Speicher verschoben.

Der Artikel über die Studie wurde in der Zeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht. Die Richtung, in die mit diesen Erkenntnissen weitere Forschungen durchgeführt werden, ist derzeit offen. Denken Sie an die Entwicklung von Computern, die vom Gehirn inspiriert sind, oder an neue Schnittstellen zwischen Gehirnprozessen und Maschinen, sagten die Forscher.

(bsc)