Neuromorphe Elektronik Künstliche Neuronen als Schnittstelle zwischen Biologie und Elektronik

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Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Die Beinprothese mit den Gedanken steuern, als wäre sie ein natürlicher Teil des Körpers. Damit das eines Tages möglich, müssen Elektronik und Biologie die gleiche Sprache sprechen. Es braucht eine Schnittstelle – so genannte künstliche Neurone. Daran arbeiten Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung und haben nun einen wichtigen Fortschritt erzielt.

Künstliche Intelligenz ist seit langem ein vieldiskutiertes Thema: Ein Computeralgorithmus „lernt“ durch Beispiele, was „richtig“ und was „falsch“ ist. Im Gegensatz zu einem Computeralgorithmus arbeitet das menschliche Gehirn mit so genannten Neuronen – Zellen des Gehirns. Diese werden trainiert und leiten Signale an andere Neuronen weiter. Das komplexe Netzwerk aus Neuronen und den Verbindungsbahnen, den Synapsen, steuert unser Denken und Handeln.

Verknüpfen von zwei Welten

Obwohl Computer heute hohe Rechenleistungen erzielen und dem Menschen beim Lösen komplexer mathematischer Probleme bei weitem überlegen sind, sind biologische Signale im Vergleich zu denen in herkömmlichen Computern deutlich komplexer. So kommunizieren die Neuronen in einem biologischen neuronalen Netz mit Ionen, Biomolekülen und Neurotransmittern. Genauer gesagt kommunizieren Neuronen entweder chemisch – durch die Abgabe von Botenstoffen wie Neurotransmittern – oder über elektrische Impulse, so genannte Aktionspotenziale oder Spikes.

Trotz der Unterschiede zwischen der biologischen und technischen Welt, gibt es zunehmend Bestrebungen, beide zu verknüpfen. So sind z. B. künstliche Neuronen ein aktuelles Forschungsgebiet. Die effiziente Kommunikation zwischen der Biologie und der Elektronik erfordert hier die Realisierung künstlicher Neuronen, die die Funktion ihrer biologischen Gegenstücke realistisch nachbilden. Dies bedeutet, dass künstliche Neuronen in der Lage sind, die Vielfalt der in der Biologie vorkommenden Signale zu verarbeiten. Bislang ahmen die meisten künstlichen Neuronen ihre biologischen Gegenstücke nur elektrisch nach, ohne die feuchte biologische Umgebung zu berücksichtigen, die aus Ionen, Biomolekülen und Neurotransmittern besteht.

Neuronale Netzwerke

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Wissenschaftler um Paschalis Gkoupidenis, Gruppenleiter in der Abteilung von Paul Blom am Max-Planck-Institut für Polymerforschung, haben nun das erste biorealistische künstliche Neuron entwickelt. Dieses Neuron kann in einer biologischen Umgebung arbeiten und ist in der Lage, verschiedene in der Biologie vorkommende „Spiking-Dynamiken“ zu erzeugen und so mit seinen biologischen Gegenstücken zu kommunizieren.

Für die Verbindung von künstlichen und natürlichen Neuronen realisierte die Gruppe von Gkoupidenis ein nichtlineares Element aus organischer weicher Materie, wie es auch in biologischen Neuronen existiert. „Ein solches künstliches Element könnte der Schlüssel für eine biorealistische Neuroprothetik sein, die dieselbe Sprache wie die Biologie spricht und die effiziente Wiederherstellung, den Ersatz oder sogar die Erweiterung der Funktionen des Nervensystems ermöglicht“, sagt Gkoupidenis.

Hiermit konnten die Forscher erstmals ein realistisches künstliches Neuron entwickeln, welches auf diversen Wegen – chemisch oder über ionische Ladungsträger – in biologischer Umgebung kommunizieren kann.

Originalpublikation: T. Sarkar, K. Lieberth, A. Pavlou, T. Frank, V. Mailaender, I. McCulloch, P. W. M. Blom, F. Torriccelli, P. Gkoupidenis: An organic artificial spiking neuron for in situ neuromorphic sensing and biointerfacing, Nat. Electron. (2022); DOI: 10.1038/s41928-022-00859-y

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