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Neuronen-Zellkultur spielt „Pong“

Hirnzellen in Kultur demonstrieren Fähigkeit zu zielgerichtetem Lernen

Hirnzellen
In Zellkultur gezüchtete Hirnzellen können lernen, das alte Videospiel "Pong" zu spielen (Symbolbild). © Cortical Labs

Intelligenz auf Zellebene: Menschliche Hirnzellen können selbst in Zellkultur lernen, das Videospiel „Pong“ zu spielen, wie ein Experiment demonstriert. Durch gezieltes Feuern „lenken“ die aus Stammzellen gezüchteten Neuronen dabei den Balken dorthin, wo der Ball auftrifft – und steigern ihre Treffsicherheit im Laufe der Zeit erheblich. Dies belegt die Lernfähigkeit selbst isolierter Neuronen und liefert Einblicke in die Grundlagen unserer Intelligenz, wie Forschende im Fachmagazin „Neuron“ berichten.

Was macht uns intelligent? Bis heute ist diese Frage erst in Teilen geklärt. So wissen wir zwar, dass unser Denken, Lernen und Erinnern durch das koordinierte Feuern bestimmter Hirnzellen ermöglicht wird und dass sich Gelerntes unter anderem durch verstärkte Verknüpfungen zwischen verschiedenen Neuronen und Hirnarealen manifestiert. Doch welche Rolle dabei die einzelnen Hirnzellen spielen und ob auch sie „lernen“ können, ist weitgehend unklar.

Neuronenkultur
Diese Neuronen wachsen auf einem Mikroelektroden-Array und haben bereits komplexe Verknüpfungen untereinander gebildet. © Cortical Labs

„DishBrain“ stimuliert und belauscht Neuronen

Jetzt belegt ein Experiment erstmals, dass wir Menschen schon auf der Ebene unserer Neuronen eine Art Basis-Intelligenz besitzen. Denn selbst isoliert vom Gehirn und seinen Strukturen können unsere Hirnzellen sich anpassen und lernen, bestimmte Aufgaben zu erfüllen. „Ob Wurm, Fliege oder Mensch – Neuronen sind die Grundlage für die allgemeine Intelligenz“, sagt Erstautor Brett Kagan von den Cortical Labs in Melbourne. „Unsere Frage war daher, ob wir so mit Neuronen interagieren können, dass sie uns diese inhärente Intelligenz zeigen.“

Für ihre Versuche züchteten Kagan und sein Team zunächst Hirnzellen des Menschen aus induzierten Stammzellen sowie Mäuseneuronen aus embryonalen Zellen. Die daraus resultierenden Neuronen ließen sie jeweils auf einer Anordnung von Mikroelektroden wachsen, die das Feuern der Neuronen registrieren, aber auch ihrerseits elektrische Reize abgeben konnten. Die Neuronen in diesem „DishBrain“ getauften System bildeten damit ein biologisches neuronales Netzwerk, das stimuliert, aber auch „belauscht“ werden konnte.

Videospiel „Pong“ als Lerntest für Neuronen

Dann folgte das eigentliche Experiment: Die Forschenden nutzten die Elektroden des DishBrains, um das alte Videospiel „Pong“ zu simulieren: Elektrische Reize zeigten dabei Position und Weg des Balls. Wenn nun die Neuronen zufällig an der richtigen Stelle des Systems feuerten, galt dies als „Balken“, der den Ball reflektiert. Die Hirnzellen bekamen in diesem Fall ein positives Feedback in Form eines im gesamten System einheitlichen Signals von zehn Millisekunden Dauer. Danach flog der Ball in vorhersehbarer Weise weiter.

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Wenn die Neutronen in der Zellkultur jedoch den Ball „verfehlten“, in dem sie an anderer Stelle feuerten, erhielten sie ein negatives Feedback in Form eines unvorhersehbaren, erratischen Reizes: Die Elektroden feuerten über vier Sekunden hinweg in zufälliger Verteilung. Zudem startete das Spiel neu und der Ball begann seinen Weg an einer zufällig ausgewählten neuen Position.

Die Idee dahinter: Einer Theorie zufolge versucht jedes selbstorganisierende System, seine Umwelt möglichst vorhersehbar zu machen – indem es sein Verhalten anpasst oder stabile Bedingungen aufsucht. Das senkt den Energieaufwand und erhöht die Überlebenschance. Gleichzeitig gilt dies als ein möglicher Weg, durch den erste Formen des Lernens und der Intelligenz entstanden. „Theoretisch müssten daher auch unsere biologischen neuronalen Netze sich so verhalten, dass sie das unvorhersehbare Feedback vermeiden“, erklären Kagan und sein Team.

Lerneffekt messbar

Und tatsächlich zeigte sich ein messbarer Lerneffekt: Nachdem die Neuronenkulturen anfangs zufällig verteilt feuerten, begannen sie nach mehreren Durchgängen immer häufiger, den „Ball“ durch zielgerichtetes Feuern an der richtigen Stelle abzufangen. „Beide Zellkulturen – Neuronen von Mensch und Maus – verbesserten ihre anfängliche Leistung und erreichten mehr aufeinanderfolgende Treffer und weniger verfehlte Bälle als am Anfang“, berichtet das Team. Kontrollkulturen mit nicht neuronalen Zellen zeigten hingegen keine Veränderung.

Das Experiment belegt damit, dass Gehirnzellen auch auf sich gestellt, ohne die Umgebung des Gehirns, lernfähig sind. „Wir haben demonstriert, dass eine einlagige Schicht von in Kultur gezüchteten Neuronen ihre Aktivität selbstorganisiert so anpassen kann, dass sie intelligentes Verhalten zeigen“, konstatieren Kagan und seine Kollegen. „Unser System ist das erste, dass dieses zielgerichtete Verhalten in vitro nachweist.“

Pong
Der Balken dieses „Pong“-Spiels wird von der Neuronen-Zellkultur gesteuert.© Kagan et. al / Neuron

Unterschiede zwischen Neuronen von Mensch und Maus

Interessant auch: Obwohl menschliche Hirnzellen zu Beginn sogar schlechter abschnitten als die Neuronen von Mäusen, änderte sich dies im Verlauf des Experiments deutlich, wie die Forschenden beobachteten. Nach der Trainingsphase hatten die menschlichen Neuronen weniger Fehlversuche und fingen mehr Bälle ab als die biologischen Neuronennetze aus Mäusezellen.

„Dies ist die erste Studie, die – wenn auch vorläufig – einen funktionalen, empirischen Beleg für die Hypothese liefert, dass menschliche Neuronen per se eine bessere Kapazität zur Informationsverarbeitung besitzen als Nagetier-Neuronen“, konstatiert das Team. Das entspricht früheren Annahmen, nach denen sich schon die biophysikalischen Strukturen der menschlichen Neuronen von denen anderer Tiere unterscheiden könnten – beispielsweise in Bezug auf ihre Reaktion auf Stimuli.

Einblick in das Wesen der Intelligenz

Zusammengenommen geben diese Erkenntnisse nicht nur neue Einblicke in das Wesen der Intelligenz. Sie eröffnen auch eine ganz neue Möglichkeit, das Verhalten von Neuronen und biologischen neuronalen Netzen zu untersuchen. „Dies ist ein ganz neuer Weg, Intelligenz zu verstehen“, sagt Kagan. „Es berührt die fundamentale Frage, was es bedeutet, lebendig und intelligent zu sein, Informationen zu verarbeiten und ein Bewusstsein seiner veränderlichen, dynamischen Umwelt zu entwickeln.“

Letztlich könnte diese Forschung auch dazu beitragen, die grundlegende Frage zu klären, was uns zu Menschen macht. „Diese Möglichkeit, Zellkulturen durch Lernen zu einer zielgerichteten Aufgabe zu bringen, öffnet das Tor zu neuen Entdeckungen, die weitreichende Bedeutung für Technologie, Gesundheit und Gesellschaft haben könnten“, konstatiert Koautor Adeel Razi von der Monash University in Australien. (Neuron, 2022; doi: 10.1016/j.neuron.2022.09.001)

Quelle: Cell Press, Cortical Labs

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