Onderzoekers lezen braille met gekweekt hersenweefsel

Kan een klein bolletje gekweekt hersenweefsel helpen met rekenwerk? Onderzoekers van de Universiteit van Bristol laten zien dat zulke bolletjes braille kunnen verwerken die door een kunstmatige vingertop is gevoeld. Uit de elektrische reactie van het weefsel konden ze vaak afleiden welke letter er was aangeraakt. Het onderzoek is verschenen in het vakblad Frontiers in Artificial Intelligence.

Waarom rekenen met hersencellen?

De drijfveer is energie. Het menselijk brein doet enorm veel rekenwerk op ongeveer 20 watt, minder dan een ouderwetse gloeilamp. Speciale computerchips die het brein nabootsen, zijn al veel zuiniger dan gewone processors. Maar als je ze opschaalt tot de complexiteit van echte hersenen, loopt hun verbruik volgens de onderzoekers flink op. Daarom kijken wetenschappers naar levende hersencellen zelf als rekenonderdeel. Dat vakgebied heet organoïde-intelligentie.

Een hersenorganoïde is een klein bolletje hersenweefsel dat in het lab is gekweekt uit stamcellen. De bolletjes in dit onderzoek lijken op de voorhersenen en zijn ongeveer een halve millimeter groot. Ze bevatten zenuwcellen en ondersteunende cellen, maar missen veel onderdelen van een echt brein. Ze worden gekweekt door het Zwitserse bedrijf FinalSpark, dat onderzoekers via internet op afstand met zijn organoïden laat werken. Elk bolletje ligt op acht piepkleine elektroden. Daarmee kan het stroomstootjes krijgen en wordt zijn activiteit gemeten.

Van robotvinger naar stroomstootjes

De onderzoekers lieten een robotarm met een tastsensor over een plaat met alle 26 letters van het braillealfabet glijden. Die sensor werkt als een kunstmatige vingertop: een zacht kussentje met een camera erin die ziet hoe het kussentje vervormt. Ze deden dat bij vijf verschillende drukdiepten en tien keer per letter, samen 1.300 metingen.

Elke meting zetten ze om in een patroon van stroomstootjes over de acht elektroden. Hoe sterk, hoe lang en op welk moment de vinger een stukje van de letter voelde, werd vertaald naar het aantal, de lengte, de sterkte en het moment van de pulsjes. Daarna telden ze per elektrode hoe vaak de zenuwcellen in de halve seconde erna vuurden.

Een eenvoudig programma voor patroonherkenning, een zogeheten support vector machine, probeerde uit die getallen af te lezen welke letter het was. Met gokken zit je 1 op de 26 keer goed, bijna 4 procent. Met de reactie van één organoïde lukte het gemiddeld in 61 procent van de gevallen. Werden de reacties van drie organoïden samengevoegd, dan steeg dat naar 83 procent.

Drie bolletjes weten meer dan één

Elke organoïde reageert net iets anders op dezelfde prikkel, omdat de verbindingen tussen de zenuwcellen en het ontwikkelingsstadium per bolletje verschillen. Volgens de onderzoekers vullen die verschillen elkaar aan: samen geven ze een rijker beeld, waardoor de letters beter uit elkaar te houden zijn. Eerste auteur Tianyi Liu, promovenda in Bristol, merkt op dat diezelfde verschillen ook een uitdaging zijn voor wie een voorspelbaar, gestandaardiseerd systeem wil bouwen.

Het samenwerken maakte het systeem ook steviger. Toen de onderzoekers met opzet storingen aanbrachten in de metingen, bleef de combinatie van drie organoïden beter overeind dan een enkel bolletje. Het brein zelf werkt vergelijkbaar: verschillende hersengebieden kunnen elkaar deels opvangen als er iets misgaat.

Opvallend is ook dat de organoïden de informatie op hun eigen manier vormgeven. Een stevigere aanraking op één plek gaf niet automatisch een sterkere reactie op de bijbehorende elektrode. Het netwerk van zenuwcellen geeft er een eigen draai aan, en toch blijft er genoeg informatie over om de letters te herkennen.

Volgende stappen

In deze proef kregen de organoïden alleen signalen binnen en werd hun reactie afgelezen. Ze kregen geen terugkoppeling, en leren was nog geen onderdeel van het experiment. Dat is precies de volgende stap. De onderzoekers willen werken met een gesloten kringloop, waarbij de organoïde merkt wat het effect is van zijn eigen activiteit. Zo kan blijken of de bolletjes zich door ervaring aanpassen. Een team van de Universiteit van Californië in Santa Cruz liet eerder dit jaar al zien dat organoïden met zo'n terugkoppeling een eenvoudige balanceertaak kunnen leren.

Daarnaast willen de onderzoekers in Bristol meer soorten aanraking testen, zoals ruwheid, randen en drukken, en elektrodenroosters met veel meer meetpunten gebruiken om fijnere patronen in het weefsel te zien. Op langere termijn denken ze aan een koppeling tussen organoïden en echte zenuwen, als proefopstelling voor nieuwe prothesen.

Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?

Rekenkracht is de brandstof van AI, en energie wordt een steeds belangrijkere grens. Dit onderzoek laat zien dat levend hersenweefsel echte zintuiglijke informatie van een robot kan opnemen en op een bruikbare manier kan doorgeven. Belangrijk is vooral dat meerdere bolletjes samen duidelijk beter presteren dan één. Dat wijst op een manier om op te schalen: niet één groot kunstbrein bouwen, maar veel kleine stukjes weefsel laten samenwerken. Lukt de volgende stap en leren organoïden ook van terugkoppeling, dan ontstaat er een nieuw soort rekenonderdeel naast de siliciumchip: zuinig, aanpasbaar en biologisch. Het is een vroege bouwsteen, maar wel een die laat zien hoe biologie en AI steeds verder in elkaar grijpen.