Direkte Verbindung ins Gehirn | heise online

Künstliche Synapsen sind in der Lage, die Arbeitsprozesse eines Gehirns nachzuahmen. Das haben Forscher der Stanford University schon 2017 mit experimentellen Bauteilen demonstriert: die neuronalen Lernprozesse konnten effizient und – besonders wichtig – energiearm simuliert werden. 2019 wurde außerdem gezeigt, wie neun dieser künstlichen Synapsen gleichzeitig gesteuert werden können und in Kommunikation miteinander treten.

Elektrochemischer Kontakt zwischen Gehirn und Maschine

Jetzt meldet Stanford zusammen mit dem Istituto Italiano di Tecnologia IIT und der TU Eindhoven den nächsten Fortschritt: Biohybride elektrochemische Kommunikation wird möglich. Konkret: Die künstlich hergestellten Synapsen können mit lebendigen Zellen kommunizieren. Normalerweise arbeiten im Gehirn eingesetzte Geräte mit elektrischen Signalen, um die Botschaften des Gehirns zu erkennen und zu verarbeiten. Dieser Schritt könnte mit dem neuen Verfahren eines Tages wegfallen.

Die Kommunikation ist ein „erster winziger Schritt“ in Richtung verbesserter Kontaktpunkte zwischen Gehirn und Maschine, kommentiert Alberto Salleo, Professor für Materialwissenschaften an der Stanford University und einer der Autoren des Papers. Co-Autor und Stanford-Doktorand Scott Keene merkt an: „In einer biologischen Synapse wird im Wesentlichen alles durch chemische Wechselwirkungen am synaptischen Übergang gesteuert. Wenn Zellen miteinander kommunizieren, dann immer chemisch.“ Dass die künstlichen Synapsen mit der natürlichen Chemie des Gehirns interagieren können, verspreche nun weiteren Nutzen.

Aufbau der künstlichen Synapse

Statt nur elektrisch, kommunizieren die künstlichen Synapsen elektrochemisch mit den Neuronen. Dazu werden zwei weiche Polymerelektroden verwendet, zwischen denen ein kleiner „Graben“ liegt. Dieser ist mit einer Elektrolytlösung gefüllt – nach dem Vorbild der synaptischen Spalten des Gehirns.

Setzt man nun lebende Nervenzellen auf diese Elektroden, reagieren die Neurotransmitter der Gehirnzellen auf diese und produzieren Ionen. Die Ionen wandern über den Graben zur zweiten Elektrode und bilden eine Verbindung. Diese Verbindungen blieben im Experiment sogar teilweise erhalten, was dem natürlichen Lernprozess im Hirn entspricht. Bei digitalen Computern läuft es anders: Hier werden Daten zuerst verarbeitet und erst danach in den Speicher geschoben.

Das Paper zur Studie wurde in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ publiziert. In welche Richtung mit diesen Erkenntnissen weiter geforscht wird, ist derzeit noch offen. Man denke etwa an die Entwicklung gehirninspirierter Computer oder neue Schnittstellen zwischen Gehirnprozessen und Maschinen, so die Forscher.

(bsc)