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Samstag, 27.08.2016
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Gehirn in Glasschale fliegt Düsenjet

Lebende Neuronen im Labor kultiviert und als Steuerung für Computerprogramm eingesetzt

Ein funktionsfähiges Gehirn ohne Körper, am Leben erhalten in einer Laborschale – es klingt wie Science Fiction, ist aber in einem Labor der Universität Florida Realität: Das von einem Wissenschaftler im Labor gezüchtete lebende Netzwerk aus 25.000 Rattengehirnzellen kann sogar mittels angeschlossener Elektroden einen Flugsimulator bedienen. Die Forscher erhoffen sich aus diesem Experiment neue Einsichten in die Arbeitsweise der vernetzten Neuronen.
Forschungslandschaft Gehirn

Forschungslandschaft Gehirn

Das “Gehirn” besteht aus einem Netzwerk von lebenden Neuronen, die aus dem Gehirn einer Ratte entnommen wurden und in einer Glasschale mit künstlichem Nährmedium kultiviert wurden. Die von Thomas DeMarse, Professor für Bioengineering, gezüchteten Zellen glichen zunächst eher Sandkörnern in Wasser, denn einem funktionsfähigen Gehirn. Doch schon bald begannen die Neuronen, Verbindungen untereinander auszubilden und sich miteinander zu verknüpfen. „Man sieht eine Zelle einen Auswuchs bilden, ihn zurückziehen, wieder ausstrecken – und das mehrmals wiederholen, quasi als Test um zu sehen, wer nebenan ist, bis im Laufe der Zeit die Verbindung sich etabliert“, erklärt der Forscher.

Das „Laborgehirn“ soll den Wissenschaftlern eine einzigartige Gelegenheit geben, in Echtzeit zu beobachten, wie das Gehirn auf zellulärer Ebene arbeitet. Die Forscher hoffen, mit seiner Hilfe auch Aufschluss über die Ursachen von neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie zu erhalten und nicht-invasive Methoden zu entwickeln, um diese zu beheben.

„Wir wollen studieren, wie Gehirne arbeiten“, erklärt DeMarse. „Ich kann Sie über Dinge befragen, die sich ereignet haben, als Sie fünf Jahre alt waren und Sie können die Information abrufen.Das ist eine unglaubliche Kapazität des Gedächtnisses. Tatsächlich führen wir unzählige scheinbar einfache Aufgaben durch, von denen wir annehmen, Computer müssten das auch können, aber sie können es nicht.“

Obwohl Computer bestimmte Informationen sehr schnell verarbeiten können, erreichen sie noch nicht die Flexibilität des menschlichen Gehirns. DeMarse: „Wenn wir die Regeln kennen, nach denen diese neuronalen Netzwerke arbeiten und beispielsweise Musterkennung funktioniert, können wir dies nutzen, um neue Computersysteme zu entwickeln.“


Um zu zeigen, dass sein Laborgehirn auch funktionsfähig ist, ließ der Forscher es mit einem F-22 Jet-Flusimulationsprogramm interagieren. Mithilfe von 60 Elektroden und einem normalen Desktopcomputer bildeten Gehirn und Programm eine Verbindung aus, ähnlich derjenigen zwischen unseren Gehirnzellen und den Nervenzellen, die die Bewegung der Extremitäten steuern. Um das simulierte Flugzeug zu steuern, erhalten die Neuronen zunächst Informationen vom Computer über die Flugbedingungen und die Ausrichtung des Jets. Die Nervenzellen analysieren dann die Daten und reagieren, indem sie Signale an die Kontrollen des Flugzeugs senden. Diese Signale verändern die Flugbahn und die Inforamtion darüber geht ernuet zurück an das Laborgehirn.

“Anfangs, als wir das Gehirn an den Simulator anschlossen, wusste es nicht, wie es das Flugzeug kontrollieren sollte”, erzählt DeMarse. „Wir stellten die Verbindung her und der Jet driftete zufällig durch den Luftraum. Doch die einströmenden Daten veränderten langsam das neuronale Netzwerk und dadurch „lernte“ es im Laufe der Zeit, das Flugzeug zu fliegen.“

Obwohl das Gehirn inzwischen den Jet sogar bei stürmischen Bedingungen sicher steuern kann, sind komplexere Anwendungen noch eine ganze Zeit entfernt, erklärt der Forscher. „Wir stehen erst am Anfang. Aber dieses Modell hilft uns die entscheidenden Prozesse zwischen dem Einströmen von Information und dem resultierenden Verhalten besser zu verstehen. Und je mehr wir darüber wissen, desto eher können wir die Fähigkeiten der Neuronen in einer breiten Palette von Anwendungen nutzen.“ Für den Forscher offensichtlich eine erstrebenswerte Aussicht, mag dies allerdings für manch anderen eher wie ein Stück aus einem Science-Fiction-Horror-Film klingen…
(University Of Florida, 25.10.2004 - NPO)
 
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