Robot med biologisk hjerne

Normalt vil en robots styresystem bestå af de gode gamle mikrochips sammen med printkort.

For robotten Gordon, som er opkaldt efter prorektor ved University of Reading i Storbritannien, ligger dens robothjerne i en lille beholder, sammen med næringsstoffer og antibiotika.

Celleklumpen består af omkring 300.000 rottehjerneceller, som stadig danner nye forbindelser til hverandre.

I bunden af beholderen sidder 80 elektroder, og her registreres de elektriske signaler som udsendes fra hjernecellerne. Dermed kan de vises som signaler på en computerskærm eller give Gordon evnen til at styre udenom en væg.

Undgår væggen

Hvis det lykkes for forskerne at bruge hjernecelleklumpen til at styre Gordon, håber de at lære noget om, hvordan biologiske hjerner virker, og hvordan erindringer manifesterer sig, deroppe i de små grå.

Ved at stimulere hjernecellerne med signaler fra robottens sensorer, og ved at bruge cellerne til at få robotten til at reagere, har forskerne gjort Gordon i stand til at undgå væggen uden noget andet styresystem.

»Denne forskning er enormt spændende, for det første fordi en biologiske hjerne kontrollerer sin egen bevægelige robotkrop. For det andet fordi den vil gøre os i stand til at undersøge, hvordan hjernen lærer af og husker sine oplevelser.«

Det siger professor Kevin Warwick fra School of Systems Engineering ved University of Reading.

»Dette vil fremme vores forståelse af hvordan hjernen virker, og det kan have en stærk indvirkning på mange områder indenfor videnskab og medicin,« mener Warwick.

Animat

Flere forskellige forskergrupper i verden arbejder i øjeblikket med lignende projekter. Hvordan kan hjerneceller dyrkes og kobles sammen med simuleringer og robotter?

Sådanne systemer har fået navnet animater. Ordet animat er en sammentrækning af ordene 'anima' og 'materiale'.

Forskerne fra University of Reading har sat hjernecellekulturen i forbindelse med en ultralydssensor inde i Gordon. De følger så med i, hvordan Gordons biologiske hjerneceller reagerer, når de får input fra sensoren.

Elektriske signaler

Forskerne ser efter områder med hjerneceller, som konsekvent udsender signaler, når de modtager input fra ultralydssensoren. Disse signaler kan for eksempel bruges til at få robotten til at undgå forhindringer.

Med andre ord: Hvis sensoren indikerer, at der er en væg foran robotten, ved hjælp af et signal på en volt, og en bestemt klynge af hjerneceller altid svarer med et signal på 100 mikrovolt, kan dette bruges til at styre robotten til højre for at undgå væggen.

Rottehjerne

Forskerne har skabt Gordons biologiske hjerne ved at skære en del af hjernen ud af et rottefoster og tilføre enzymer for at adskille cellerne fra hinanden.

Et slimlag af isolerede hjerneceller placeres derefter i et næringsrigt medium på en række elektroder, hvor de begynder at danne nye forbindelser til hinanden. Cellerne får udvækster som strækker sig ud mod nabocellerne.

Efter omkring fem dage kan forskerne aflæse et mønster af elektrisk aktivitet, fordi cellerne sender signaler rundt i det, som er vokset til et tæt netværk af neuritter (udløbere som leder nerveimpulser) og dendritter (forgrenede udløbere fra nervecelle).

Udbrud

I en sådan fremdyrket hjernecelleklump ser det ud til, at cellerne udsender deres signaler tilfældigt. Men mange gange vil flere af dem udsende signaler samtidig - i et slags udbrud.

Forskerne er ikke enige om, hvad dette betyder. Nogle vurderer det som patologisk aktivitet - i lighed med aktiviteten i hjernen hos en, som har et epileptisk anfald.

»Hos et væsen uden legemsdele eller sanser er hjernen ved at gå til af kedsomhed,« siger hjerneforskeren Ben Whalley til New Scientist.

»Uden strukturerede sanseindtryk er hypotesen, at du får en tilfældig og ofte skadelig aktivitet, fordi cellerne beder om en eller anden form for ordre,« siger han.

Andre ser udbruddene som et udtryk for, at cellenetværket udtrykker lagrede erindringer.

Færre udbrud med sensorisk input

Dette er blevet testet ved at sende elektriske pulser gennem den række af elektroder, som celleklumpen hviler på. Således kan man sige, at forskerne simulerede sanseindtryk. Det fik udbrudsaktiviteten til at falde.

»Det ser ud til, at sanseindtryk sætter baggrundsniveauet for aktivitet i hjernen,« siger Steve Potter fra Georgia Institute of Technology i Atlanta til New Scientist. Han har været en pioner indenfor området.

Resultaterne har opmuntret andre forskere til at udforske, hvordan sygdomme virker, ved hjælp af cellekulturer dyrket af hjernebark.

Forudsigelighed

Forskerne prøver at få robotter med biologiske hjerner til at gøre ting i et forudsigeligt mønster ved at sende signaler til cellekulturen. Så kan de, ved at ændre hjernen kemisk, elektrisk eller fysisk, forsøge at se, hvordan dette påvirker kontrollerbarheden.

Formålet er blandt andet at skabe et enkelt system, hvor det er muligt at udforske hvordan hjernen fungerer og måske bidrage til ny viden om sygdomme som Alzheimers, Parkinsons, epilepsi, apopleksi og hjerneskader.

Hjerne i æske

Til at sætte den dyrkede biologiske robothjerne i forbindelse med selve robotten kræves der specielle forhold. For eksempel kræver cellerne stuetemperatur, og de er sårbare overfor infektioner.

Gordons hjerne er derfor placeret i en temperaturreguleret æske på størrelse med en mikrobølgeovn, og forskerne kommunikerer med robotten via en Bluethooth radioforbindelse.

Forskerne planlægger at undersøge, hvordan cellekulturen kan bygges ind i en robot på et tidlig stadium, fordi en hjerne, som udvikler sig uden stimuli, er en hjerne 'i mørke', og det er ikke uproblematisk.

I dag venter forskerne tre til fire uger, før de giver celleklumpen sanseinput.

Kortlægger forbindelser

Indtil videre må Gordon være tilfreds med at trille rundt på sine hjul i en indhegning af træ, med hjernen i en kasse et andet sted. Forskerne følger med i, om det lykkes for robotten at undgå væggene, og det gør det nu for den i 80 procent af tilfældene, skriver New Scientist.

Nu skal forbindelserne mellem hjernecellerne kortlægges, før og efter at robotten har fået lov til at trille omkring, for at se om de bliver stærkere. Forskerne skal også undersøge om nogle dele af celleklumpen er bedre egnede til visse opgaver end andre dele.

En anden udfordring er at træne hjernecellerne til at reagere på sanseinput på en konsekvent måde.

Store spørgsmål

»Et af de store spørgsmål, som forskere i dag står overfor, er, hvordan vi knytter aktiviteten i enkelte hjerneceller til den sammensatte opførsel, vi ser i hele organismer,« siger Ben Whalley fra universitetets School of Pharmacy.

»Dette projekt giver os en virkelig enestående mulighed for at se på noget, som måske kan udvise kompleks opførsel, men som alligevel er knyttet til aktiviteten i individuelle hjerneceller.«

»Forhåbentligt kan vi bruge det til at komme tættere på svar på disse grundlæggende spørgsmål,« siger Whalley.

© forskning.no. Oversat af Johnny Oreskov