Menschliche Gehirnzellen in einer Schale lernen, Pong zu spielen

Jetzt wollen sie herausfinden, was passiert, wenn ihr DishBrain durch Medikamente und Alkohol beeinflusst wird.

"Wir haben gezeigt, dass wir mit lebenden biologischen Neuronen so interagieren können, dass sie ihre Aktivität verändern, was zu etwas führt, das der Intelligenz ähnelt", sagt der Hauptautor Dr. Brett Kagan, der wissenschaftlicher Leiter des Biotech-Start-ups Cortical Labs ist, das sich der Entwicklung einer neuen Generation biologischer Computerchips widmet. Seine Mitautoren sind an der Monash University, der RMIT University, dem University College London und dem Canadian Institute for Advanced Research tätig.

"DishBrain bietet einen einfacheren Ansatz, um die Funktionsweise des Gehirns zu testen und Erkenntnisse über lähmende Krankheiten wie Epilepsie und Demenz zu gewinnen", sagt Dr. Hon Weng Chong, Chief Executive Officer von Cortical Labs.

Zwar können Wissenschaftler schon seit einiger Zeit Neuronen auf Multielektroden-Arrays anbringen und ihre Aktivität ablesen, doch ist dies das erste Mal, dass Zellen auf strukturierte und sinnvolle Weise stimuliert werden.

"In der Vergangenheit wurden Modelle des Gehirns so entwickelt, wie Informatiker glauben, dass das Gehirn funktionieren könnte", sagt Kagan. "Das basiert in der Regel auf unserem heutigen Verständnis von Informationstechnologie, wie etwa Silizium-Computing.

"Aber in Wahrheit verstehen wir nicht wirklich, wie das Gehirn funktioniert."

Indem sie auf diese Weise ein lebendes Modellgehirn aus Grundstrukturen aufbauen, können die Wissenschaftler mit echten Gehirnfunktionen experimentieren, anstatt mit fehlerhaften analogen Modellen wie einem Computer.

Kagan und sein Team werden zum Beispiel als Nächstes experimentieren, um herauszufinden, welche Auswirkungen Alkohol auf DishBrain hat.

"Wir versuchen, eine Dosis-Wirkungs-Kurve mit Ethanol zu erstellen - wir machen sie im Grunde genommen 'betrunken' und sehen, ob sie das Spiel schlechter spielen, genau wie wenn Menschen trinken", sagt Kagan.

Das eröffnet möglicherweise völlig neue Wege, um zu verstehen, was im Gehirn vor sich geht.

"Diese neue Fähigkeit, Zellkulturen beizubringen, eine Aufgabe auszuführen, bei der sie Empfindungsvermögen zeigen - indem sie das Paddel so steuern, dass es den Ball zurückspielt - eröffnet neue Entdeckungsmöglichkeiten, die weitreichende Folgen für Technologie, Gesundheit und Gesellschaft haben werden", sagt Dr. Adeel Razi, Direktor des Computational & Systems Neuroscience Laboratory der Monash University.

"Wir wissen, dass unsere Gehirne den evolutionären Vorteil haben, dass sie über Hunderte von Millionen von Jahren auf das Überleben abgestimmt wurden. Jetzt scheint es, dass wir diese unglaublich leistungsfähige und billige biologische Intelligenz nutzen können".

Die Ergebnisse eröffnen auch die Möglichkeit, eine Alternative zu Tierversuchen zu schaffen, um zu untersuchen, wie neue Medikamente oder Gentherapien in diesen dynamischen Umgebungen reagieren.

"Wir haben auch gezeigt, dass wir die Stimulation auf der Grundlage der Verhaltensänderung der Zellen modifizieren können, und zwar in einem geschlossenen Kreislauf in Echtzeit", sagt Kagan.

Für das Experiment entnahm das Forscherteam Mäusezellen aus embryonalen Gehirnen sowie einige aus Stammzellen gewonnene menschliche Gehirnzellen und ließ sie auf Mikroelektroden-Arrays wachsen, die sie sowohl stimulieren als auch ihre Aktivität messen konnten.

Elektroden auf der linken oder rechten Seite eines Arrays wurden abgefeuert, um Dishbrain mitzuteilen, auf welcher Seite sich der Ball befand, während die Entfernung zum Paddel durch die Frequenz der Signale angezeigt wurde. Durch die Rückmeldung der Elektroden lernte Dishbrain, wie es den Ball zurückspielen konnte, indem es die Zellen dazu brachte, sich so zu verhalten, als wären sie selbst das Paddel.

"Wir waren noch nie in der Lage zu sehen, wie sich die Zellen in einer virtuellen Umgebung verhalten", sagt Kagan. "Wir haben es geschafft, eine geschlossene Umgebung zu bauen, die lesen kann, was in den Zellen passiert, sie mit sinnvollen Informationen stimuliert und dann die Zellen auf interaktive Weise verändert, so dass sie sich tatsächlich gegenseitig verändern können."

"Der schöne und bahnbrechende Aspekt dieser Arbeit besteht darin, die Neuronen mit Empfindungen - dem Feedback - auszustatten und vor allem mit der Fähigkeit, auf ihre Welt einzuwirken", sagt Mitautor Professor Karl Friston, ein theoretischer Neurowissenschaftler am UCL in London.

"Bemerkenswerterweise haben die Kulturen gelernt, ihre Welt vorhersehbarer zu machen, indem sie auf sie einwirken. Das ist bemerkenswert, weil man diese Art der Selbstorganisation nicht lehren kann, einfach weil diese Mini-Gehirne - anders als ein Haustier - keinen Sinn für Belohnung und Bestrafung haben", sagt er.

"Das translationale Potenzial dieser Arbeit ist wirklich aufregend: Es bedeutet, dass wir uns keine Sorgen um die Schaffung von 'digitalen Zwillingen' machen müssen, um therapeutische Eingriffe zu testen. Wir haben jetzt im Prinzip den ultimativen biomimetischen 'Sandkasten', in dem wir die Auswirkungen von Medikamenten und genetischen Varianten testen können - einen Sandkasten, der aus genau denselben (neuronalen) Computerelementen besteht, die in Ihrem und meinem Gehirn zu finden sind."

Die Forschung unterstützt auch das von Professor Friston entwickelte "Prinzip der freien Energie".

"Wir standen vor einer Herausforderung, als wir herausfanden, wie wir die Zellen anweisen können, einen bestimmten Weg einzuschlagen. Wir haben keinen direkten Zugang zu Dopaminsystemen oder etwas anderem, das wir nutzen könnten, um spezifische Anreize in Echtzeit zu geben, also mussten wir eine Ebene tiefer gehen und uns mit dem befassen, womit Professor Friston arbeitet: der Informationsentropie - einer grundlegenden Informationsebene darüber, wie sich das System selbst organisieren könnte, um auf physikalischer Ebene mit seiner Umgebung zu interagieren.

"Das Prinzip der freien Energie besagt, dass Zellen auf dieser Ebene versuchen, die Unvorhersehbarkeit ihrer Umgebung zu minimieren.

Kagan sagt, ein spannendes Ergebnis sei, dass sich DishBrain nicht wie siliziumbasierte Systeme verhielt. "Als wir den körperlosen Neuronen strukturierte Informationen präsentierten, sahen wir, dass sie ihre Aktivität in einer Weise änderten, die sehr gut mit ihrem tatsächlichen Verhalten als dynamisches System übereinstimmt", sagt er.

"So nimmt beispielsweise die Fähigkeit der Neuronen, ihre Aktivität aufgrund von Erfahrungen zu verändern und anzupassen, mit der Zeit zu, was mit der Lernrate der Zellen übereinstimmt.

Chong sagt, er sei begeistert von dieser Entdeckung, aber das sei erst der Anfang.

"Das ist brandneues, jungfräuliches Terrain. Wir möchten, dass noch mehr Leute an Bord kommen und daran mitarbeiten, um das von uns aufgebaute System zur weiteren Erforschung dieses neuen Wissenschaftsgebiets zu nutzen", sagt er.

"Wie einer unserer Mitarbeiter sagte, wacht man nicht jeden Tag auf und kann ein neues Wissenschaftsgebiet schaffen.