Ein Forschungsteam von der Northwestern University hat künstliche Neurone gedruckt, die das Gehirn nachahmen und mit ihm kommunizieren können. Getestet hat es sie an Gewebeschnitten aus Mäusegehirnen. Dabei zeigte sich, dass die künstlichen Neurone in den echten eine Reaktion auslösten. 

Die erzeugten Neurone bestehen aus weichen, druckbaren Materialien, die Struktur und Verhalten des Gehirns besser als Siliziumchips nachahmen sollen. Für die Herstellung setzte die Arbeitsgruppe elektronische Tinten ein, die aus Nanometer kleinen Flocken des Halbleitermaterials Molybdändisulfid sowie aus Graphen bestehen, das als elektrischer Leiter dient. Diese Tinten brachten die Forschenden auf flexible Polymersubstrate auf.

Das stabilisierende Polymer wurde in früheren Studien oft als hinderlich für den Stromfluss erachtet und deswegen nach dem Drucken der elektronischen Schaltung verbrannt. Das Team von der Northwestern University entfernte es jedoch nicht, sondern zersetzte es teilweise. Im Betrieb wies die resultierende Struktur Ähnlichkeiten zur Arbeitsweise des Gehirns auf, sagt Mark Hersam, der die Studie leitete. »Wenn wir dann Strom durch das Gerät leiten, treiben wir die weitere Zersetzung des Polymers voran. Diese Zersetzung erfolgt räumlich inhomogen, was zur Bildung eines leitfähigen Filaments führt, sodass der gesamte Strom auf einen schmalen Bereich im Raum beschränkt wird.«

Über den verbleibenden schmalen Pfad lässt sich eine Vielzahl elektrischer Signale und komplexe Signalmuster erzeugen, die der Kommunikation echter Neurone ähneln. Anstelle der einfachen, einmaligen Impulse, wie sie die heutige Halbleitertechnik nutzt, erzeugt das künstliche Neuron sowohl einzelne Signale, die den für Nervenzellen typischen Aktionspotenzialen (»Spikes«) gleichen, als auch kontinuierliche Feuer- und Burst-Muster, die aus dichten Abfolgen von Spikes bestehen. Mit einer solchen Signalvielfalt kann das künstliche Neuron im Vergleich zu heutigen Computersystemen mehr Informationen kodieren und komplexere Funktionen ausführen, schreiben die Fachleute.

Als sie die elektrischen Signale der künstlichen Neurone an Gewebeschnitte des Kleinhirns von Mäusen anlegten, stellten sie fest, dass die künstlichen Spannungsspitzen mit wichtigen biologischen Merkmalen wie dem Timing und der Dauer der Spannungsspitzen lebender Neurone übereinstimmten. Mit den gedruckten Neuronen gelang es ihnen zufolge, zuverlässig Aktivität in echten Neuronen auszulösen und neuronale Schaltkreise auf ähnliche Weise wie natürliche Signale zu aktivieren.

Für zwei Arten von Anwendungen der künstlichen Neuronen sieht die Gruppe Potenzial. Zum einen, um den hohen Energieverbrauch von Rechenzentren für die künstliche Intelligenz in den Griff zu bekommen. Zum anderen für Elektronik, die direkt mit dem Nervensystem kommunizieren kann. Hilfreich wäre das etwa für die Entwicklung von Gehirn-Maschine-Schnittstellen und Neuroprothesen einschließlich Hör-, Seh- und Bewegungsprothesen.