Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Santa Cruz, hebben aangetoond dat kleine clusters van in een laboratorium gekweekt hersenweefsel kunnen worden getraind om een technisch probleem op te lossen – het balanceren van een virtuele pool – met behulp van zorgvuldig ontworpen elektrische feedback. Dit proof-of-concept-experiment laat zien dat zenuwweefsel in een schaaltje adaptief kan leren, wat nieuwe inzichten zou kunnen opleveren in neurologische ziekten en het vermogen van de hersenen tot plasticiteit.
Het experiment: hersenorganoïden leren een pool in evenwicht te brengen
Het experiment maakte gebruik van corticale organoïden, kleine, driedimensionale structuren gegroeid uit stamcellen van muizen die bepaalde aspecten van hersenweefsel nabootsen. Deze organoïden zijn niet in staat tot denken of bewustzijn, maar ze kunnen wel elektrische signalen zenden en ontvangen, en hun verbindingen kunnen door stimulatie worden gewijzigd. De taak was om een ‘kartpaal’ te besturen – een simulatie waarbij een virtuele kar naar links of rechts beweegt om een scharnierende paal verticaal in evenwicht te houden.
Dit probleem is notoir moeilijk voor kunstmatige-intelligentiesystemen, omdat het constante, nauwkeurig afgestemde aanpassingen vereist, en niet slechts één enkel correct antwoord. De organoïden waren verbonden met de virtuele omgeving en hun elektrische activiteit werd geïnterpreteerd als commando’s om de kar te verplaatsen. De sleutel was adaptieve feedback : wanneer de organoïde slecht presteerde, kreeg hij een korte uitbarsting van elektrische stimulatie. Een algoritme paste aan welke neuronen deze stimulatie ontvingen op basis van de vraag of vergelijkbare patronen eerder tot betere controle hadden geleid.
Waarom dit ertoe doet: de plasticiteit en ziekte van de hersenen begrijpen
Dit gaat niet over het creëren van functionele biocomputers. In plaats daarvan gaat het erom te begrijpen hoe neuronen zich aanpassen om problemen op te lossen. Volgens Ash Robbins, een onderzoeker bij UC Santa Cruz, “proberen we de basisprincipes te begrijpen van hoe neuronen adaptief kunnen worden afgestemd om problemen op te lossen. Als we kunnen achterhalen wat dat in een gerecht drijft, geeft het ons nieuwe manieren om te bestuderen hoe neurologische ziekten het leervermogen van de hersenen kunnen beïnvloeden.”
De resultaten waren aanzienlijk. Organoïden die adaptieve feedback kregen, brachten de pool in evenwicht in 46% van de cycli, vergeleken met 2,3% voor degenen die geen feedback kregen en 4,4% voor degenen die willekeurige stimulatie kregen. Dit laat zien dat de neuronale verbindingen van het weefsel kunnen worden afgestemd via gestructureerde feedback.
De grenzen en ethische overwegingen
Het leren van de organoïde is van korte duur. Na slechts 45 minuten inactiviteit keert het terug naar de basisprestaties. Toekomstig onderzoek zal zich richten op het verbeteren van het geheugen, mogelijk door de complexiteit te vergroten. David Haussler, een bio-informaticus die betrokken is bij het onderzoek, benadrukte dat het doel is om hersenonderzoek te bevorderen en neurologische ziekten te behandelen, en niet om robotcontrollers te vervangen door in het laboratorium gekweekt weefsel.
Het gebruik van organoïden in het menselijk brein zou ernstige ethische zorgen oproepen, maar voorlopig biedt dit onderzoek een uniek inzicht in de fundamentele mechanismen van hersenplasticiteit.
Deze studie toont aan dat levende neurale circuits adaptief kunnen worden afgestemd via gestructureerde feedback, een bevinding die een revolutie teweeg zou kunnen brengen in ons begrip van hoe de hersenen leren en zich aanpassen, en hoe neurologische ziekten deze processen verstoren.
