De Autochtoon
27-07-04, 23:36
Door Sybe Rispens
2004-07-28
Kunnen hersencellen op computerchips aangesloten worden? Duitse onderzoekers hebben een belangrijke stap in die richting gezet. Maar de cyborg -half mens, half computer- is daarmee nog niet in zicht.
Levende zenuwcellen aansluiten op computerchips: het is een steeds terugkerende scène in sciencefictionverhalen. Droom en nachtmerrie. Denk aan een film als 'Matrix', waarin via een directe dataverbinding tussen een computersysteem en de hersenstam van de held bergen informatie in zijn hersenpan worden opgeslagen. Plug and play maakt leren overbodig.
David Cronenberg schetst in zijn film 'Videodrome' juist een donker toekomstbeeld, waarbij de elektronica eerst de geest van het slachtoffer overneemt, om later diens biologische lichaam te vernietigen.
Sciencefiction lijkt werkelijkheid te worden aan het Duitse Max Planck Instituut voor Biochemie, even ten zuiden van München. Het instituut loopt wereldwijd voorop met onderzoek waarbij levende zenuwcellen op halfgeleider-chips worden aangesloten. De onderzoekers zijn er hier voor het eerst in geslaagd transistors direct op individuele neuronen aan te sluiten. Met dat succes sleepte het instituut onlangs een gerenommeerde Duitse onderzoeksprijs, de Philip Morris Forschungspreis 2004, in de wacht. Waarom is een dergelijk onderzoeksinstituut geïnteresseerd in een project waarbij vrijwel iedereen eerst denkt aan sciencefictionverhalen?
Een koppeling tussen zenuwcellen en halfgeleidende chips is vooral uit medisch oogpunt interessant. Zenuwcellen reageren op elektrische stroom, en wie zenuwcellen elektrisch stimuleert, kan bewegingen of zintuigelijke waarnemingen simuleren. Dove pa tiën ten kunnen bijvoorbeeld weer horen door bij hen goudelektroden in de gehoorzenuw te implanteren.
Er zijn ook experimenten met blinden gaande, waarbij elektronische sensoren beelden doorgeven aan elektroden die in de oogzenuw zijn aangebracht. Ook lukt het om door elektromotoren aangedreven prothesen van armen of benen aan te sturen via elektroden die in een zenuwcel zijn gezet.
De manier waarop zenuwcellen in dit soort ingrepen gestimuleerd worden, is het meest verfijnde wat we tot nu toe kunnen realiseren: een goud elektrode wordt in een bundel zenuwcellen geprikt. Dat levert relatief grove indrukken op: doven met een implantaat horen niet zo gedetailleerd als horenden (maar ze kunnen wel woorden verstaan) en blinden zien alleen maar grote vlakken licht en donker.
Wie een natuurgetrouwere nabootsing van zintuigelijke waarnemingen wil, moet individuele neuronen in het zenuwstelsel zien aan te sturen. Dat is veel moeilijker dan met elektroden in een klompje hersencellen prikken. Goudelektroden in een groepje zenuwcellen prikken is zoiets als met een grijpvork in een mierenhoop steken. Individuele neuronen aansturen is vergelijkbaar met onderhandelen met de mieren zelf. Als dat laatste zou lukken, komen kwalitatief veel hoogwaardigere prothesen binnen handbereik. Maar hoe stuur je een enkel neuron aan? Wat gebeurt er als je een transistor op een zenuwcel aansluit?
Professor Peter Fromherz, leider van het Max Planck instituut, kijkt bedenkelijk. ,,Er gebeurt dan helaas maar verdraaid weinig. En wat je meet, is meestal niet wat je denkt dat je meet.'' Fromherz, een tengere man van rond de vijftig, zucht eens diep. Maar al vertellend komt er weer jongensachtig enthousiasme in zijn verhaal. ,,Kijk, in een biologische cel worden signalen met ionen van natrium en kalium doorgegeven, in een transistor gaat dat met elektronen. De twee systemen zijn fundamenteel incompatibel. Cellen versturen signalen duizend keer langzamer dan chips, ze werken chemisch, en houden van vocht en warmte. Bij een chip, waarbij de transistoren in silicium zijn gemaakt, is dat duidelijk niet het geval. Zodra een stuk halfgeleidend silicium met een zenuwcel in verbinding komt, gaan beide stuk: door de ionen van de cel corrodeert het silicium en de elektronen van de chip beschadigen de celwand. Bovendien moet de cel in een bakje met kweekvloeistof liggen, terwijl deze vloeistof in een chip kortsluiting veroorzaakt. Levende zenuwcellen, met hun voortdurend vertakkende synapsen, vernielen na een tijdje ook een silicium ondergrond, ongeveer zoals een boom zijn wortels door een straat boort.''
Hoe is er dan toch contact te leggen tussen cel en chip? Zal een 'interface' tussen beide systemen ooit lukken? Fromherz: ,,Wat we hier nu al bijna twintig jaar doen is, met minimale stapjes een weg in die richting zoeken. En laat ik meteen zeggen: we zijn nog mijlenver verwijderd van het kunnen implanteren van chips in mensen. Dat er binnenkort een cyborg gebouwd kan worden -half mens, half computer- vind ik grote onzin. Wie zenuwcellen en chips met elkaar probeert te verbinden, heeft iedere dag een hoofd vol raadsels. Technische raadsels, wetenschappelijke raadsels en filosofische raadsels.''
Begin jaren negentig, na de eerste succesvolle metingen, stelde Fromherz een theoretisch model op over hoe de uitwisseling van elektrische signalen tussen de biologische en elektronische systemen zou moeten werken. Het idee was, dat de celwand van een neuron zonder tussenruimte, direct aan het silicium zou hechten. Maar toen begonnen de raadsels. Fromherz: ,,In 1991 kwam er een student bij me met allemaal mysterieuze meetresultaten. We snapten er niets van! Mijn hele model ging over de kop! En waar lag dat nou aan? Daar stuitten we op de grenzen van ons weten'.
De koppeling tussen transistoren en zenuwcellen is een van de grootste puzzels. Het onderzoek zit op het grensvlak van twee takken wetenschap die beide succesvol zijn, maar die bijna niets met elkaar gemeenschappelijk hebben: de neurobiologie en de micro-elektronica. Het is een intellectuele uitdaging om die twee werelden te combineren. Maar als dat niet werkt, wat dan? Is er dan sprake van een chemische fout, een biologische blunder, een elektronische bug, of een onbekend natuurkundig fenomeen?
Fromherz: ,,Tja, daar sta je dan. Zit er een lek in de clean-room, is het ontwerp van de transistoren niet goed geweest, hebben we iets over het hoofd gezien bij het contactpunt tussen de levende en levenloze wereld? Het punt is, dat je slechts systematisch elke schakel in de keten kunt onderzoeken. En het lastige is, dat je daarvoor de beste neurobiologen, elektrotechnici, scheikundigen en natuurkundigen nodig hebt. En die praten allemaal in hun eigen jargon.''
,,We realiseerden ons al snel dat we wel dingen konden meten, maar dat we eigenlijk niet precies wisten wat er nu eigenlijk op het contactpunt tussen chip en zenuwcel gebeurde. Dus gingen we ons concentreren op dat aanhechtingsgebied. Het bleek dat zenuwcellen in kweekvloeistof helemaal niet direct aan een silicium oppervlakte kunnen hechten, maar dat er een spleet tussen blijft zitten. Die spleet is klein -50 nanometer (200 keer dunner dan een haar)- maar hij verandert wel fundamenteel de overdracht van elektrische signalen tussen cel en chip. We hebben de eigenschappen nu, na tien jaar onderzoek, goed begrepen.''
De vasthoudendheid van Fromherz heeft tot doorbraken geleid. Vorig jaar lukte het voor het eerst om elektrische signalen vanuit een chip in een geprepareerde zenuwcel van een slak te sturen. Fromherz: ,,Na een paar elektrische pulsen sloeg de zenuwcel 'aan', en vuurde hij naar zijn buurman. Die sloeg ook aan, en dat signaal werd weer opgevangen in een chip. Daarmee is de cirkel rond: je wekt een elektrisch signaal in een chip op, je stuurt dat in een neuron, die dat op zijn beurt via een chemische verbinding doorstuurt naar zijn buurman, en daarna kun je het weer opvangen in een halfgeleidende transistor. Het is dus nu bewezen dat je elektrische signalen in één enkel neuron kunt sturen. We waren zelfs getuige van een biologisch leereffect dat optreedt tussen twee neuronen. In het begin moesten we nog meerdere pulsen versturen voordat het neuron aansloeg, maar na een tijdje bleek het netwerk na een simpel pulsje al aan te slaan.''
De Duitse chipfabrikant Infineon is ook bij het onderzoek betrokken. Afgelopen maart leverde Infineon de eerste modellen van een chip waarin duizenden transistors zitten die elektrische signalen van neuronen kunnen opvangen. De chip lijkt op de lichtgevoelige chips in digitale fotocamera's. Maar in plaats van licht, meet hij het elektrische signaal van neuronen. Fromherz: ,,Die chip moet het voor het eerst mogelijk maken de elektrische communicatie in biologische neuronale netwerken te bestuderen. Als we de signalen tussen drie neuronen van een slak kunnen meten, zijn we al reuzeblij.''
En dan beginnen zijn pretoogjes te lichten. ,,Bedenk dan dat de menselijke hersenen uit zo'n honderd miljard neuronen bestaan, en je begrijpt waarom we met dit onderzoek nog echt aan het begin staan.''
2004-07-28
Kunnen hersencellen op computerchips aangesloten worden? Duitse onderzoekers hebben een belangrijke stap in die richting gezet. Maar de cyborg -half mens, half computer- is daarmee nog niet in zicht.
Levende zenuwcellen aansluiten op computerchips: het is een steeds terugkerende scène in sciencefictionverhalen. Droom en nachtmerrie. Denk aan een film als 'Matrix', waarin via een directe dataverbinding tussen een computersysteem en de hersenstam van de held bergen informatie in zijn hersenpan worden opgeslagen. Plug and play maakt leren overbodig.
David Cronenberg schetst in zijn film 'Videodrome' juist een donker toekomstbeeld, waarbij de elektronica eerst de geest van het slachtoffer overneemt, om later diens biologische lichaam te vernietigen.
Sciencefiction lijkt werkelijkheid te worden aan het Duitse Max Planck Instituut voor Biochemie, even ten zuiden van München. Het instituut loopt wereldwijd voorop met onderzoek waarbij levende zenuwcellen op halfgeleider-chips worden aangesloten. De onderzoekers zijn er hier voor het eerst in geslaagd transistors direct op individuele neuronen aan te sluiten. Met dat succes sleepte het instituut onlangs een gerenommeerde Duitse onderzoeksprijs, de Philip Morris Forschungspreis 2004, in de wacht. Waarom is een dergelijk onderzoeksinstituut geïnteresseerd in een project waarbij vrijwel iedereen eerst denkt aan sciencefictionverhalen?
Een koppeling tussen zenuwcellen en halfgeleidende chips is vooral uit medisch oogpunt interessant. Zenuwcellen reageren op elektrische stroom, en wie zenuwcellen elektrisch stimuleert, kan bewegingen of zintuigelijke waarnemingen simuleren. Dove pa tiën ten kunnen bijvoorbeeld weer horen door bij hen goudelektroden in de gehoorzenuw te implanteren.
Er zijn ook experimenten met blinden gaande, waarbij elektronische sensoren beelden doorgeven aan elektroden die in de oogzenuw zijn aangebracht. Ook lukt het om door elektromotoren aangedreven prothesen van armen of benen aan te sturen via elektroden die in een zenuwcel zijn gezet.
De manier waarop zenuwcellen in dit soort ingrepen gestimuleerd worden, is het meest verfijnde wat we tot nu toe kunnen realiseren: een goud elektrode wordt in een bundel zenuwcellen geprikt. Dat levert relatief grove indrukken op: doven met een implantaat horen niet zo gedetailleerd als horenden (maar ze kunnen wel woorden verstaan) en blinden zien alleen maar grote vlakken licht en donker.
Wie een natuurgetrouwere nabootsing van zintuigelijke waarnemingen wil, moet individuele neuronen in het zenuwstelsel zien aan te sturen. Dat is veel moeilijker dan met elektroden in een klompje hersencellen prikken. Goudelektroden in een groepje zenuwcellen prikken is zoiets als met een grijpvork in een mierenhoop steken. Individuele neuronen aansturen is vergelijkbaar met onderhandelen met de mieren zelf. Als dat laatste zou lukken, komen kwalitatief veel hoogwaardigere prothesen binnen handbereik. Maar hoe stuur je een enkel neuron aan? Wat gebeurt er als je een transistor op een zenuwcel aansluit?
Professor Peter Fromherz, leider van het Max Planck instituut, kijkt bedenkelijk. ,,Er gebeurt dan helaas maar verdraaid weinig. En wat je meet, is meestal niet wat je denkt dat je meet.'' Fromherz, een tengere man van rond de vijftig, zucht eens diep. Maar al vertellend komt er weer jongensachtig enthousiasme in zijn verhaal. ,,Kijk, in een biologische cel worden signalen met ionen van natrium en kalium doorgegeven, in een transistor gaat dat met elektronen. De twee systemen zijn fundamenteel incompatibel. Cellen versturen signalen duizend keer langzamer dan chips, ze werken chemisch, en houden van vocht en warmte. Bij een chip, waarbij de transistoren in silicium zijn gemaakt, is dat duidelijk niet het geval. Zodra een stuk halfgeleidend silicium met een zenuwcel in verbinding komt, gaan beide stuk: door de ionen van de cel corrodeert het silicium en de elektronen van de chip beschadigen de celwand. Bovendien moet de cel in een bakje met kweekvloeistof liggen, terwijl deze vloeistof in een chip kortsluiting veroorzaakt. Levende zenuwcellen, met hun voortdurend vertakkende synapsen, vernielen na een tijdje ook een silicium ondergrond, ongeveer zoals een boom zijn wortels door een straat boort.''
Hoe is er dan toch contact te leggen tussen cel en chip? Zal een 'interface' tussen beide systemen ooit lukken? Fromherz: ,,Wat we hier nu al bijna twintig jaar doen is, met minimale stapjes een weg in die richting zoeken. En laat ik meteen zeggen: we zijn nog mijlenver verwijderd van het kunnen implanteren van chips in mensen. Dat er binnenkort een cyborg gebouwd kan worden -half mens, half computer- vind ik grote onzin. Wie zenuwcellen en chips met elkaar probeert te verbinden, heeft iedere dag een hoofd vol raadsels. Technische raadsels, wetenschappelijke raadsels en filosofische raadsels.''
Begin jaren negentig, na de eerste succesvolle metingen, stelde Fromherz een theoretisch model op over hoe de uitwisseling van elektrische signalen tussen de biologische en elektronische systemen zou moeten werken. Het idee was, dat de celwand van een neuron zonder tussenruimte, direct aan het silicium zou hechten. Maar toen begonnen de raadsels. Fromherz: ,,In 1991 kwam er een student bij me met allemaal mysterieuze meetresultaten. We snapten er niets van! Mijn hele model ging over de kop! En waar lag dat nou aan? Daar stuitten we op de grenzen van ons weten'.
De koppeling tussen transistoren en zenuwcellen is een van de grootste puzzels. Het onderzoek zit op het grensvlak van twee takken wetenschap die beide succesvol zijn, maar die bijna niets met elkaar gemeenschappelijk hebben: de neurobiologie en de micro-elektronica. Het is een intellectuele uitdaging om die twee werelden te combineren. Maar als dat niet werkt, wat dan? Is er dan sprake van een chemische fout, een biologische blunder, een elektronische bug, of een onbekend natuurkundig fenomeen?
Fromherz: ,,Tja, daar sta je dan. Zit er een lek in de clean-room, is het ontwerp van de transistoren niet goed geweest, hebben we iets over het hoofd gezien bij het contactpunt tussen de levende en levenloze wereld? Het punt is, dat je slechts systematisch elke schakel in de keten kunt onderzoeken. En het lastige is, dat je daarvoor de beste neurobiologen, elektrotechnici, scheikundigen en natuurkundigen nodig hebt. En die praten allemaal in hun eigen jargon.''
,,We realiseerden ons al snel dat we wel dingen konden meten, maar dat we eigenlijk niet precies wisten wat er nu eigenlijk op het contactpunt tussen chip en zenuwcel gebeurde. Dus gingen we ons concentreren op dat aanhechtingsgebied. Het bleek dat zenuwcellen in kweekvloeistof helemaal niet direct aan een silicium oppervlakte kunnen hechten, maar dat er een spleet tussen blijft zitten. Die spleet is klein -50 nanometer (200 keer dunner dan een haar)- maar hij verandert wel fundamenteel de overdracht van elektrische signalen tussen cel en chip. We hebben de eigenschappen nu, na tien jaar onderzoek, goed begrepen.''
De vasthoudendheid van Fromherz heeft tot doorbraken geleid. Vorig jaar lukte het voor het eerst om elektrische signalen vanuit een chip in een geprepareerde zenuwcel van een slak te sturen. Fromherz: ,,Na een paar elektrische pulsen sloeg de zenuwcel 'aan', en vuurde hij naar zijn buurman. Die sloeg ook aan, en dat signaal werd weer opgevangen in een chip. Daarmee is de cirkel rond: je wekt een elektrisch signaal in een chip op, je stuurt dat in een neuron, die dat op zijn beurt via een chemische verbinding doorstuurt naar zijn buurman, en daarna kun je het weer opvangen in een halfgeleidende transistor. Het is dus nu bewezen dat je elektrische signalen in één enkel neuron kunt sturen. We waren zelfs getuige van een biologisch leereffect dat optreedt tussen twee neuronen. In het begin moesten we nog meerdere pulsen versturen voordat het neuron aansloeg, maar na een tijdje bleek het netwerk na een simpel pulsje al aan te slaan.''
De Duitse chipfabrikant Infineon is ook bij het onderzoek betrokken. Afgelopen maart leverde Infineon de eerste modellen van een chip waarin duizenden transistors zitten die elektrische signalen van neuronen kunnen opvangen. De chip lijkt op de lichtgevoelige chips in digitale fotocamera's. Maar in plaats van licht, meet hij het elektrische signaal van neuronen. Fromherz: ,,Die chip moet het voor het eerst mogelijk maken de elektrische communicatie in biologische neuronale netwerken te bestuderen. Als we de signalen tussen drie neuronen van een slak kunnen meten, zijn we al reuzeblij.''
En dan beginnen zijn pretoogjes te lichten. ,,Bedenk dan dat de menselijke hersenen uit zo'n honderd miljard neuronen bestaan, en je begrijpt waarom we met dit onderzoek nog echt aan het begin staan.''