Zellhaufen entziffern 83 ProzentDrei gezüchtete Mini-Gehirne können Blindenschrift lesen
ntv bei Google bevorzugenWeniger als einen Millimeter groß, aber erstaunlich leistungsfähig: Im Labor gezüchtete Mini-Gehirne entziffern tatsächlich Blindenschrift. Zu dritt zusammengeschaltet steigern sie ihre Trefferquote deutlich. Warum das so ist, bleibt den Forschern selbst ein Rätsel.
Mit der Rechenleistung im Labor gezüchteter Mini-Gehirne lassen sich einer Studie zufolge einzelne Buchstaben der Brailleschrift für Blinde entziffern. Nach der elektronischen Abtastung der Buchstaben erhielten die Bündel aus Vorderhirn-Nervenzellen die Information in einer Form von elektrischen Impulsen, die sie verarbeiten können. Einzelne Mini-Gehirne erkannten die Buchstaben mit einer durchschnittlichen Genauigkeit von 61 Prozent, drei Minigehirne zusammengeschaltet brachten es auf 83 Prozent, wie die Gruppe um Tianyi Liu von der University of Bristol in Bristol im Fachmagazin "Frontiers in Artificial Intelligence" berichtet.
Das menschliche Gehirn ist extrem energieeffizient. Zwar haben Forscher bereits Computerchips entwickelt, die im Milliwatt-Bereich arbeiten, indem sie Speicher und Rechenleistung vereinen und nur dann Signale aussenden, wenn Ereignisse eintreten. "Wenn Ingenieure diese Chips jedoch auf eine Komplexität skalieren, die der der Großhirnrinde entspricht, steigt der prognostizierte Energiebedarf in den Kilowatt- bis Megawatt-Bereich, während das menschliche Gehirn vergleichbare Rechenleistungen mit rund 20 Watt erbringt", schreiben die Studienautoren. Deshalb versuchen Wissenschaftler, organähnliche Gebilde - Organoide genannt - in die Informationstechnik zu integrieren.
Liu und Kollegen arbeiteten mit der "Neuroplatform" des schweizerischen Startups FinalSpark. Über diese Internetplattform können sowohl elektrische Impulse erzeugt werden, die die Hirnorganoide verarbeiten können, als auch die Aktivitätsmuster der Mini-Gehirne erfasst und übermittelt werden. Die verwendeten Organoide hatten weniger als einen Millimeter Durchmesser, enthielten jedoch rund 10.000 Nervenzellen und unterstützende Zellen, die für die Ernährung der Zellen permanent durchströmt wurden. Die Verbindung zum elektronischen System stellten acht Mikroelektroden aus Edelstahl her, auf denen das Hirnorganoid lag.
"Wir können Informationen von einem echten Berührungssensor nehmen, sie in eine Form bringen, die ein lebendes neuronales Netzwerk empfangen kann, und anschließend aussagekräftige Informationen aus der Reaktion des Organoids zurückgewinnen", erklärte Liu. Als Ausgangsbasis dienten die Codes der Brailleschrift für 26 Buchstaben. Wenn der Buchstabe H abgetastet wurde, sollte das Mini-Gehirn ein Aktivitätsmuster zeigen, das dem H entspricht. Dies war bei einzelnen Organoiden durchschnittlich in 61 Prozent der Versuche der Fall. Ein Ensemble aus drei Mini-Gehirnen kam auf eine durchschnittliche Genauigkeit von 83 Prozent.
Warum es gemeinsam besser läuft, ist unklar
Weshalb die drei Mini-Gehirne besser abschneiden als eines, wissen die Forscher nicht genau. "Verschiedene Organoide können leicht unterschiedliche Netzwerkverbindungen, Entwicklungsstadien und Eigenaktivitäten aufweisen, so dass derselbe Input zwar ähnliche, aber nicht identische Reaktionen hervorrufen kann", erklärte Liu. Die drei Organoide könnten die jeweils einzelnen Reaktionen womöglich ergänzen und Tendenzen verstärken, vermutet das Team.
Die Wissenschaftler wollten auch herausfinden, wie robust die Verarbeitung durch die Hirnorganoide ist. Deshalb veränderten sie die Eingangsimpulse durch verschiedene Störungen wie gaußsches Rauschen, Gleichverteilungsrauschen, fehlende Daten und Ausreißer. Bei den beiden Störungen durch Rauschen behielt das Ensemble aus drei Organoiden nahezu die Genauigkeit bei der Verwendung eines klaren Signals bei. Die fehlenden Daten reduzierten die Genauigkeit auf 72 Prozent, die Ausreißer auf 68 Prozent. Damit war die Verarbeitung deutlich robuster als in den Fällen, in denen die Stimulationsmuster für die Mini-Gehirne direkt elektronisch verarbeitet wurde. Dann führte beispielsweise ein gaußsches Rauschen zu einer Genauigkeit von nur noch 55 Prozent.
Die Forscher wollen auf dem eingeschlagenen Weg weitergehen: "Der nächste Schritt besteht darin, über Braille hinauszugehen; wir interessieren uns für Aspekte wie Texturen, Kanten und verschiedene Arten der Berührung sowie schließlich für Geschlossener-Kreis-Aufgaben, bei denen das Organoid eine Rückmeldung auf seine eigenen Aktionen erhält", so Liu.