Northwestern-yliopiston insinöörit julkaisivat 15. huhtikuuta Nature Nanotechnology -lehdessä tutkimuksen, jossa tulostimella valmistetut keinoneuronit käynnistivät hiiren pikkuaivokudoksessa aitojen hermosolujen reaktiot. Työtä johti materiaalitieteen professori Mark Hersam yhdessä tutkija Vinod Sangwanin ja neurobiologi Indira Ramanin kanssa. Tulos on konkreettinen askel kohti joustavia, halpoja sähkölaitteita, jotka keskustelevat hermoston kanssa hermoston omalla kielellä.
Mitä tutkijat tekivät
Tiimi sekoitti kaksi nanomittakaavan materiaalia: molybdeenidisulfidia (MoS2) puolijohteeksi ja grafeenia sähkönjohteeksi. Seos suspendoitiin nestemäiseksi musteeksi ja tulostettiin aerosolitulostuksella ohuelle muovikalvolle. Näin syntyi taipuva siru, jonka paksuus on pieni murto-osa perinteisistä piipohjaisista hermosoluelektrodeista.
Ramanin laboratorio asetti valmiit sirut kosketukseen hiiren pikkuaivoista otettujen kudosleikkeiden kanssa. Kun keinoneuroneihin kytkettiin jännite, mittauslaitteet rekisteröivät elävien hermosolujen vastaukset. Sirun synnyttämät sähköpiikit vastasivat kestoltaan ja ajoitukseltaan aidon hermosolun purkauksia, ja kudosleikkeen neuronit reagoivat niihin kuten toisen biologisen soluun viestintään.
Miten se toimii
Keinoneuronin sähköinen persoonallisuus syntyy tahallisesta epätäydellisyydestä. Tulostamisen jälkeen tutkijat hajottivat osittain musteen stabilointipolymeeriä. Kun sähkövirta kulkee laitteen läpi, polymeeri hajoaa lisää ja MoS2-kerrokseen muodostuu johtava säie. Säikeen syntyminen ja katkeaminen synnyttää äkillisiä purkauksia sen sijaan, että virta kulkisi tasaisesti.
Aiemmat keinoneuronit ovat tuottaneet lähinnä yksinkertaisia pulsseja. Northwesternin laite taipuu kolmeen signaalityyppiin: yksittäisiin piikkeihin, jatkuvaan purkautumiseen ja purskemaisiin sarjoihin. Juuri nämä kolme moodia muodostavat aivojen signalointikielen rungon, ja niiden jäljittely on aiemmin vaatinut piipohjaisia transistoreja tai suurta virrankulutusta.
“Aivot ovat viisi kertaluokkaa energiatehokkaampia kuin digitaalinen tietokone.”
Mitä tämä tarkoittaa käytännössä
Tulos ei tarkoita, että aivoihin voisi huomenna asentaa tulostettuja siruja. Kokeet tehtiin kudosleikkeillä, eivät elävässä eläimessä, ja matka kliinisiin kokeisiin ihmisillä kestää vielä vuosia. Sirujen pehmeys, halpa valmistus ja biologista viestintää muistuttavat signaalit avaavat kuitenkin reittejä, joita piipohjaiset kovat elektrodit eivät ole saavuttaneet: muotoutuvia anturipintoja sisäkorvaan, verkkokalvoon ja ääreishermostoon.
Tavallisen ihmisen kannalta merkityksellisintä on se, että parhaimmillaan tekniikka voisi keskipitkällä aikavälillä parantaa kuulon ja näön palautusta sekä halvauspotilaiden liikuntalaitteita. Yritysten kannalta pehmeä, tulostettava elektroniikka tarkoittaa halvempaa valmistusketjua ja lyhyempää tuotekehityssykliä verrattuna perinteisiin piikuiduista rakennettuihin implantteihin.
Toinen sovelluslinja on laskenta. Jos yksi keinoneuroni kuluttaa murto-osan digitaalisen kerto-ja-summa-yksikön energiasta, sama arkkitehtuuri voisi käyttää niitä neuromorfisten tekoälypiirien rakennuspalikoina. Tällaisen laskennan lupaus on, että mobiililaitteet ja ääriverkon sensorit pystyisivät ajamaan kielimalleja ilman pilvipalvelimen tukea.
Sanasto
Neuromorfinen laskenta
Aivoja jäljittelevä tietokonearkkitehtuuri, jossa siru rakennetaan niin, että se toimii hermosolujen tapaan – piikeillä ja pulsseilla. Lupaa murto-osan perinteisen tekoälypiirin sähkönkulutuksesta.
Aivo-kone-rajapinta
Laite tai järjestelmä, joka lukee aivojen sähköisiä signaaleja tai syöttää niitä aivoihin. Käytetään esimerkiksi halvauspotilaiden liikuntalaitteiden ohjaukseen tai kuulolaitteissa.
Suomi-kulma: Aallon Brain Centre saa uusia työkaluja
Aalto-yliopiston Aalto Brain Centre ja Neurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitos tutkivat aivojen signaaleja magneettikuvauksella (fMRI) ja magnetoenkefalografialla (MEG). Nämä menetelmät mittaavat aivoja ulkopuolelta. Northwesternin tulostettavat keinoneuronit tarjoaisivat tähän täydentävän, paikallisen rajapinnan: alustan, jolla aivojen omia signaaleja voi sekä lukea että kirjoittaa ilman kovaa piikiveä. Suomalaisille neuroteknologian kehittäjille ja implantaattiyrityksille tämä on konkreettinen vihje siitä, että seuraavan sukupolven rajapinnat rakennetaan pehmeästä, tulostettavasta materiaalista – ei piistä.
Viikoittainen uutiskirje
Tule firmasi fiksuimmaksi AI-osaajaksi
Yksi uutiskirje kerrallaan. Kokoamme viikon tärkeimmät tekoälyuutiset suomeksi ja kerromme, mitä ne tarkoittavat sinun työsi kannalta. Luet sen kahvitauolla.
