Forscher an der University of California in Santa Cruz haben gezeigt, dass kleine Gruppen von im Labor gezüchtetem Gehirngewebe mithilfe sorgfältig konzipierter elektrischer Rückkopplung darauf trainiert werden können, ein technisches Problem zu lösen – das Ausbalancieren eines virtuellen Pols. Dieses Proof-of-Concept-Experiment zeigt, dass Nervengewebe in einer Schale adaptiv lernen kann, was neue Erkenntnisse über neurologische Erkrankungen und die Plastizitätsfähigkeit des Gehirns liefern könnte.
Das Experiment: Gehirnorganoiden beibringen, eine Stange zu balancieren
Das Experiment verwendete kortikale Organoide, kleine, dreidimensionale Strukturen, die aus Mausstammzellen gezüchtet wurden und bestimmte Aspekte des Gehirngewebes nachahmen. Diese Organoide sind weder zum Denken noch zum Bewusstsein fähig, können aber elektrische Signale senden und empfangen und ihre Verbindungen können durch Stimulation verändert werden. Die Aufgabe bestand darin, einen „Cartpole“ zu steuern – eine Simulation, bei der sich ein virtueller Karren nach links oder rechts bewegt, um eine schwenkbare Stange vertikal im Gleichgewicht zu halten.
Dieses Problem ist für Systeme der künstlichen Intelligenz bekanntermaßen schwierig, da es ständige, fein abgestimmte Anpassungen erfordert und nicht nur eine einzige richtige Antwort. Die Organoide wurden mit der virtuellen Umgebung verbunden und ihre elektrische Aktivität wurde als Befehl zum Bewegen des Wagens interpretiert. Der Schlüssel war adaptives Feedback : Wenn das Organoid eine schlechte Leistung zeigte, erhielt es einen kurzen Stromstoß. Ein Algorithmus passte an, welche Neuronen diese Stimulation erhielten, basierend darauf, ob ähnliche Muster zuvor zu einer besseren Kontrolle geführt hatten.
Warum das wichtig ist: Plastizität und Krankheit des Gehirns verstehen
Hier geht es nicht darum, funktionsfähige Biocomputer zu schaffen. Stattdessen geht es darum zu verstehen, wie sich Neuronen anpassen, um Probleme zu lösen. Laut Ash Robbins, einem Forscher an der UC Santa Cruz, „versuchen wir die Grundlagen zu verstehen, wie Neuronen adaptiv abgestimmt werden können, um Probleme zu lösen. Wenn wir herausfinden können, was das in einem Gericht antreibt, eröffnet uns das neue Möglichkeiten zu untersuchen, wie sich neurologische Erkrankungen auf die Lernfähigkeit des Gehirns auswirken können.“
Die Ergebnisse waren signifikant. Organoide, denen adaptives Feedback gegeben wurde, balancierten die Stange in 46 % der Zyklen aus, verglichen mit 2,3 % bei denen, denen kein Feedback gegeben wurde, und 4,4 % bei denen, die zufällige Stimulation erhielten. Dies zeigt, dass die neuronalen Verbindungen des Gewebes durch strukturiertes Feedback abgestimmt werden können.
Die Grenzen und ethischen Überlegungen
Das Lernen des Organoids ist von kurzer Dauer. Nach nur 45 Minuten Inaktivität kehrt es zur Grundleistung zurück. Zukünftige Forschungen werden sich auf die Verbesserung seines Gedächtnisses konzentrieren, möglicherweise durch Erhöhung der Komplexität. David Haussler, ein an der Studie beteiligter Bioinformatiker, betonte, dass das Ziel darin besteht, die Hirnforschung voranzutreiben und neurologische Erkrankungen zu behandeln, und nicht darin, Robotersteuerungen durch im Labor gezüchtetes Gewebe zu ersetzen.
Die Verwendung menschlicher Gehirnorganoide würde ernsthafte ethische Bedenken aufwerfen, doch bietet diese Forschung vorerst einen einzigartigen Einblick in die grundlegenden Mechanismen der Gehirnplastizität.
Diese Studie zeigt, dass lebende neuronale Schaltkreise durch strukturiertes Feedback adaptiv abgestimmt werden können, eine Erkenntnis, die unser Verständnis darüber, wie das Gehirn lernt und sich anpasst und wie neurologische Erkrankungen diese Prozesse stören, revolutionieren könnte.
