Robot med biologisk hjerne

Roboten Gordon styres av en liten klump hjerneceller dyrket frem i laboratoriet. Elektroder leser cellenes signaler og oversetter dem til bevegelse.

Vanligvis vil kontrollsystemet til en robot bestå av den gode gamle mikrobrikken tilknyttet et kretskort.

For roboten Gordon, som er oppkalt etter visekansleren ved University of Reading i Strobritannia, hviler robothjernen i en liten beholder, sammen med næringsstoffer og antibiotika.

Celleklumpen består av rundt 300 000 rottehjerneceller som stadig lager nye forbindelser til hverandre.

I bunnen av beholderen sitter 80 elektroder, og de elektriske signalene som sendes ut fra hjernecellene registreres her. Slik kan de vises som signaler på en dataskjerm, eller gi Gordon evnen til å styre unna en vegg.

Unngår veggen

Dersom forskerne klarer å bruke hjernecelleklumpen til å kontrollere Gordon, håper de å lære noe om hvordan biologiske hjerner virker, og hvordan minner manifesterer seg der oppe i tenkeboksen.

Ved å stimulere hjernecellene med signaler fra robotens sensorer, og ved å bruke cellene til å få roboten til å reagere, har forskerne gjort Gordon i stand til å unngå veggen, uten noe annet kontrollsystem.

(Foto: University of Reading)
(Foto: University of Reading)

- Denne forskningen er enormt spennende, for det første fordi den biologiske hjernen kontrollerer sin egen bevegelige robotkropp.

- For det andre fordi det vil gjøre oss i stand til å undersøke hvordan hjernen lærer og husker sine opplevelser.

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

- Dette vil flytte vår forståelse av hvordan hjernen virker fremover, og kan ha en sterk innvirking på mange områder innen vitenskap og medisin, sier Warwick.

Animat

Flere forskergrupper i verden jobber nå med lignende prosjekter. Hvordan kan hjerneceller dyrkes frem og plugges inn i simuleringer og roboter?

Slike systemer har fått navnet animater. Ordet animat er en sammentrekning av ordene anima og materiale.

Forskerne ved University of Reading har satt en slik hjernecellekultur i forbindelse med en ultralydsensor inne Gordon.

De følger så med på hvordan Gordons biologiske hjerneceller reagerer når de får input fra sensoren.

Elektriske signaler

Forskerne ser etter områder med hjerneceller som fyrer signaler konsekvent når de mottar input fra ultralydsensoren.

Disse signalene kan for eksempel brukes til å få roboten til å unngå hindringer.

Med andre ord:

Hvis sensoren indikerer at det er en vegg foran roboten, ved hjelp av et signal på 1 volt, og en bestemt knute av hjerneceller alltid svarer med et signal på 100 mikrovolt, kan dette brukes til å styre roboten til høyre for å unngå veggen.

Rottehjerne

Forskerne har laget Gordons biologiske hjerne ved å skjære ut en del av hjernen fra et rottefoster, og tilføre enzymer som skiller cellene fra hverandre.

Et slimlag av isolerte hjerneceller plasseres deretter i et næringsrikt medium på en rekke elektroder, hvor de begynner å lage nye forbindelser til hverandre. Cellene får utvekster som strekker seg ut mot nabocellene.

Etter rundt fem dager kan forskerne avlese et mønster av elektrisk aktivitet, fordi cellene sender signaler rundt i det som har vokst til et tett nettverk av nevritter (utløpere som leder nerveimpulser) og dendritter (forgrenede utløpere fra nervecelle).

Utbrudd

I en slik fremdyrket hjernecelleklump, ser det ut til at cellene sender ut sine signaler tilfeldig. Men mange ganger vil flere av dem fyre av signaler samtidig, i et slags utbrudd.

(Foto: University of Reading)
(Foto: University of Reading)

Forskerne er ikke enige om hva dette betyr. Noen vurderer det som patologisk aktivitet – likt aktiviteten i hjernen til en som har et epileptisk anfall.

- Som en skapning uten kroppsdeler eller sanser, holder hjernen på å sprekke av kjedsommelighet, mener hjerneforskeren Ben Whalley til New Scientist.

- Uten noen strukturerte sanseinntrykk, er hypotesen at du får tilfeldig og ofte skadelig aktivitet, fordi cellene ber om en eller annen form for ordre, sier han.

Andre ser utbruddene som et uttrykk for at cellenettverket uttrykker lagret minne.

Færre utbrudd med sensorisk input

Dette har blitt testet ved å sende elektriske pulser gjennom elektroderekken som celleklumpen hviler på. Slik kan man si at forskerne simulerte sanseinntrykk.

Dette fikk ned utbruddsaktiviteten.

- Det ser ut til at sanseinntrykk setter bakgrunnsnivået for aktivitet i hjernen, sier Steve Potter fra Georgia Institute of Technology i Atlanta til New Scientist.

Han har vært en pioner på feltet.

Disse resultatene har så oppmuntret andre forskere til å utforske hvordan sykdommer virker, ved hjelp av cellekulturer dyrket fra hjernebark.

Forutsigbarhet

Forskerne prøver å få roboter med biologiske hjerner til å gjøre ting i et forutsigbart mønster, ved å sende signaler til cellekulturen.

Da kan de gjøre forsøk ved å endre hjernen kjemisk, elektrisk eller fysisk, for å se hvordan dette påvirker kontrollerbarheten.

Formålet er blant annet å lage et enkelt system hvor det er mulig å utforske hvordan hjernen fungerer, og kanskje bidra til ny kunnskap om sykdommer som Alzheimers, Parkinsons, epilepsi, slag og hjerneskader.

Hjerne i kabinett

For å sette den dyrkede biologiske robothjernen i forbindelse med selve roboten, trengs det spesielle forhold. For eksempel trenger cellene romtemperatur, og de er sårbare for infeksjoner.

Hjernen til Gordon er derfor plassert i et temperaturkontrollert kabinett på størrelse med en mikrobølgeovn, og snakker med roboten via en Bluethooth radiolink.

Forskerne planlegger å undersøke hvordan cellekulturen kan bygges inn i en robot på et tidlig stadium, fordi en hjerne som utvikler seg uten stimuli er en hjerne i mørke, og det er ikke uproblematisk.

I dag venter forskerne tre til fire uker før de gir celleklumpen noe sanseinput.

Kartlegger forbindelser

Enn så lenge må Gordon altså nøye seg med å spinne rundt på sine hjul i en innhegning av tre, med hjernen i boks et annet sted.

Forskerne følger med på om roboten klarer å unngå veggene, og det gjør den nå i 80 prosent av tilfellene, ifølge New Scientist.

Nå skal forbindelsene mellom hjernecellene kartlegges før og etter at roboten har fått romstere rundt, for å se om de blir sterkere.

Forskerne skal også undersøke om noen deler av celleklumpen er bedre egnet for visse oppgaver enn andre deler.

En annen utfordring er å trene hjernecellene til å reagere på sanseinput på en konsekvent måte.

- Store spørsmål

- Et av de store spørsmålene som forskere står overfor i dag, er hvordan vi knytter aktiviteten i enkeltvise hjerneceller til den sammensatte oppførselen vi ser i hele organismer, sier Ben Whalley fra universitetets School of Pharmacy.

- Dette prosjektet gir oss en virkelig unik mulighet til å se på noe som kanskje kan utvise kompleks oppførsel, men som likevel er knyttet til aktiviteten til individuelle hjerneceller.

- Forhåpentligvis kan vi bruke dette til å komme nærmere noen svar på disse grunnleggende spørsmålene, sier Whalley.

Lenker:

University of Reading: Robot with a Biological Brain: new research provides insights into how the brain works

BBC: Rat-brain robot aids memory study

Telegraph.co.uk: Rat’s ‘brain’ used to power robot 
 

Powered by Labrador CMS