Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Francesca Santoro uit Jülich heeft een biochip ontwikkeld die het menselijk netvlies nabootst. De innovatie maakt deel uit van een bredere inspanning in de bio-elektronica om disfuncties in het lichaam en de hersenen te herstellen. De chip is het resultaat van een samenwerking tussen experts van het Jülich Research Center, RWTH Aachen University, het Italian Institute of Technology en de Universiteit van Napels. Hun werk en onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
De samensmelting van mens en machine is de belichaming van sciencefiction. In het echte leven hebben mensen al de eerste stappen gezet om dergelijke cyborgs te realiseren: pacemakers kunnen hartritmestoornissen behandelen, cochleaire implantaten kunnen het gehoor verbeteren, en netvliesimplantaten kunnen bijna blinde mensen op zijn minst een beetje helpen zien. In de toekomst zou een nieuw type chip kunnen helpen retinale implantaten beter te integreren in het menselijk lichaam. Het is gebaseerd op geleidende polymeren en lichtgevoelige moleculen en kan worden gebruikt om het netvlies en de visuele paden na te bootsen. Het werd ontwikkeld door de onderzoeksgroep van Francesca Santoro aan het Jülich Instituut voor Bio-elektronica (IBI-3) in samenwerking met de RWTH Universiteit van Aken, het Italiaanse Instituut voor Technologie in Genua en de Universiteit van Napels.
"Onze organische halfgeleider kan de intensiteit herkennen van het licht dat erop valt. Iets soortgelijks gebeurt in onze ogen", legt Santoro uit, hoogleraar neuro-elektronische interfaces aan de RWTH Universiteit van Aken en gastonderzoeker aan het Italiaanse Instituut voor Technologie. "De hoeveelheid licht die op de individuele fotoreceptoren valt, vormt uiteindelijk een beeld in de hersenen."
Dit nieuwe type halfgeleider is uniek omdat het volledig is samengesteld uit niet-giftige organische componenten en flexibel is om te werken met ionen, dit zijn geladen atomen of moleculen. Daarom kan het beter worden geïntegreerd in biologische systemen dan traditionele silicium halfgeleidercomponenten, die stijf zijn en alleen met elektronen werken. De onderzoekers leggen uit: “Onze lichaamscellen zijn gespecialiseerd in het gebruik van ionen om bepaalde processen te controleren en informatie uit te wisselen. Tot nu toe is deze ontwikkeling echter slechts een ‘proof of concept’. Het materiaal werd gesynthetiseerd en vervolgens gekarakteriseerd, maar we konden aantonen dat de typische eigenschappen van het netvlies ermee nagebootst kunnen worden.”
De onderzoekers overwegen al een andere mogelijke toepassing: omdat blootstelling aan licht de geleidbaarheid van het gebruikte polymeer op zowel de korte als de lange termijn verandert, zou de chip ook kunnen functioneren als een kunstmatige synaps. Echte synapsen werken op een vergelijkbare manier: door elektrische signalen door te geven, veranderen ze van grootte en efficiëntie, wat bijvoorbeeld ten grondslag ligt aan het vermogen van onze hersenen om te leren en te onthouden. "In toekomstige experimenten hopen we deze componenten te combineren met biologische cellen en veel individuele biologische cellen met elkaar te verbinden", zei Santoro.
Naast kunstmatige netvliezen ontwikkelt Santoro's team andere benaderingen van bio-elektronische chips die op een vergelijkbare manier kunnen interageren met cellen in het menselijk lichaam, met name het zenuwstelsel. “Aan de ene kant probeerden we de driedimensionale structuur van zenuwcellen na te bootsen, en aan de andere kant probeerden we ook hun functies na te bootsen, zoals het verwerken en opslaan van informatie. Het bleek dat de biopolymeren die ze gebruikten in het kunstmatige netvlies een geschikt uitgangsmateriaal waren. We zouden ze kunnen gebruiken om de vertakkingsstructuur van menselijke zenuwcellen na te bootsen, evenals hun vele dendrieten. Je kunt je voorstellen dat het een beetje op een boom lijkt”, legt de wetenschapper uit. Dit is belangrijk omdat echte cellen deze vertakte driedimensionale structuur verkiezen boven gladde oppervlakken, waardoor ze nauwe verbindingen met kunstmatige cellen tot stand kunnen brengen.
Ten eerste kunnen verschillende biochips worden gebruikt om echte neuronen, dat wil zeggen cellulaire communicatie, te bestuderen. Ten tweede hopen Santoro en haar team op een dag hun componenten te kunnen gebruiken om actief in te grijpen in de communicatieroutes van cellen om bepaalde effecten teweeg te brengen. Wat Santoro hier bijvoorbeeld voor ogen heeft, is het corrigeren van fouten in de informatieverwerking en -overdracht die optreden bij neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Parkinson of Alzheimer, of het ondersteunen van organen die niet meer goed functioneren. Bovendien zouden dergelijke elementen ook kunnen dienen als interfaces tussen prothetische ledematen of gewrichten.
Ook computertechnologie kan hiervan profiteren. Vanwege zijn eigenschappen is deze chip voorbestemd om hardware te worden voor kunstmatige neurale netwerken. Tot nu toe gebruiken kunstmatige intelligentieprogramma’s nog steeds klassieke processors die hun structuur niet kunnen aanpassen. Ze gebruiken alleen complexe software om het zelflerende werkingsprincipe van neurale netwerken te imiteren en te veranderen. Dit is zeer inefficiënt. Kunstmatige neuronen zouden deze tekortkoming kunnen compenseren: ze zouden computertechnologie in staat stellen de manier waarop de hersenen op elk niveau werken na te bootsen.