Twente creëert primitief minibrein

Door onze redacteur DIRK VAN DELFT
ENSCHEDE, 30 SEPT. Onderzoekers van de Universiteit Twente zijn erin geslaagd uit geïsoleerde zenuwcellen een minibrein te maken dat op een aantal punten vergroeid is met micro-elektrodes. Via die elektrodes zijn van buitenaf elektrische signalen aan het hersensysteempje toe te voeren.

Tegelijkertijd kunnen ze de activiteit van een aantal zenuwcellen aftappen. Het systeem moet op termijn leiden tot een implanteerbare hersenchip. Het hersensysteempje is gemaakt door de groep van neurotechnoloog dr. W. Rutten. Het bestaat uit een netwerk van 10.000 100.000 verknoopte zenuwcellen, afkomstig uit rattenembryo's. Het blijft ongeveer een maand in leven. Het Twentse team werkt samen met het Nederlands Herseninstituut in Amsterdam.

Op zestig plaatsen maakt het brein contact met elektrodes, verwerkt in een dun plaatje. Langs chemische weg lukt het de zenuwcellen naar de gewenste plaatsen te dirigeren en met de elektrodes te laten vergroeien. Zo ontstaat een neuraal netwerk dat leeft en waarin de zenuwcellen voortdurend andere bindingen met elkaar aangaan.

Dit kleine hersensysteempje geeft spontaan elektrische activiteit te zien. Het minibrein is als het ware primitief aan het denken. Wat er precies gebeurt weet Rutten nog niet, maar waarschijnlijk hebben de stroompjes geen functie. Wel zijn er inmiddels sterke aanwijzingen dat er typische patronen optreden. De Twentse groep gaat het systeem stimuli aanbieden, afkomstig van lichtsensorsignalen. Zo hoopt men te weten te komen of het netwerk te trainen is en of er leergedrag ontstaat. Het Twentse minibrein staat mijlenver af van onze echte hersenen, onderstreept Rutten. Een mens bezit honderd miljard hersencellen die ieder op tienduizend plaatsen met elkaar verknoopt zijn. "Vergeleken met die aantallen is wat wij klaarspelen ontstellend bescheiden", aldus Rutten.

TUSSEN MENS EN MACHINE

De elektronische mens

Steken robots binnenkort de mens naar de kroon? Zijn de hersenen te koppelen aan elektronica en dus programmeerbaar? Onderzoekers tonen zich minder bevreesd dan futurologen.

Dirk van Delft

IN HET RECLAMESPOTJE voor de Xsara Picasso van Citroën zit hij nog vastgeklonken aan een productieband, op de vingers gekeken door een nare man in een overal. Maar zonneklaar is dat de spuitrobot met creatieve aandriften veel meer in zijn mars heeft dan het mechanisch in de lak zetten van langstrekkend koetswerk. Als vanzelf dringt zich de vraag op of nieuwe generaties robots wél slim genoeg zullen zijn om zich van het juk te ontdoen. Hoe zullen ze, eenmaal bevrijd, met de mens omgaan, gesteld dat ze ons in leven laten?

Afgelopen april schreef Bill Joy, vader van de computertaal Java, in het tijdschrift Wired een essay onder de aansprekende titel 'Why the future doesn't need us' (een verkorte versie stond op 26 augustus op de opiniepagina van deze krant). De boodschap was ouderwets somber: de mensheid was druk bezig het onheil over zich af te roepen. Zouden we de nanotechnologie, robotica en biotechnologie op hun beloop laten, aldus Joy, dan moesten we niet vreemd opkijken als robots, al dan niet in miniatuurformaat, dankzij hun explosief groeiende intelligentie en hun aanstaande vermogen om zich te repliceren de mensheid zouden marginaliseren. Redding was alleen mogelijk door pas op de plaats te maken en een voorbeeld te nemen aan de Dalai Lama.

In M van afgelopen augustus plaatste Hans Achterhuis, techniekfilosoof aan de Universiteit Twente, het doemdenken van Joy moeiteloos in een technofobische traditie die het bekendst is van het monster van Frankenstein. Hij bepleitte een vruchtbaarder manier van discussiëren over de verhouding mens-technologie dan die welke Joy ten beste had gegeven. De discussie zou, aldus Achterhuis, zich vooral moeten richten op "de inhoud die wij aan het cyborg-begrip willen geven en over de wijze waarop technologieën waarden en normen incarneren, onze beleving en ideeën veranderen."

Los van dit filosofische debat over heil en ondergang rijst de vraag naar de feitelijke stand van zaken van de huidige technologie. Wat zien de onderzoekers aan het front? Op de 'Humanoids 2000'-conferentie, afgelopen augustus op het MIT (Massachusetts Institute of Technology) in Cambridge (VS), werd de aanwezige robotica-experts gevraagd in hoeverre ze meenden dat robots als de volgende stap in de evolutie zijn op te vatten en of robots de mensheid op termijn zouden verdringen. Op een schaal van 0 (zeer onwaarschijnlijk) tot 5 (zeer waarschijnlijk) scoorden ze een ondubbelzinnige 0. Experts tonen zich stukken minder euforisch dan profeten en filmproducers en daar hebben ze alle reden toe.

VERNUFT

Alois Knoll, aan de Universitt Bielefeld hoogleraar technische informatica en een van de organisatoren van Humanoids 2000, somde in de New York Times de tekortkomingen van de huidige generatie robots op: "Het ontbreekt ze aan mechanische vernuft, aan batterijen, aan hersens, aan emoties. Op geen stukken na komen ze ook maar in de buurt van mensen." Zelfs al zouden er slimme robots bestaan, kwaadwillende bovendien, dan moeten ze bij een opstand tegen de mensheid snel handelen: doorgaans zijn de batterijen binnen een half uur leeg.

Helemaal lastig voor te stellen is hoe zulke robots zich zouden moeten reproduceren. Speculaties over een vloot robots die al evoluerend en zichzelf voortplantend de diepe ruimte moet gaan verkennen, zijn pure fictie. Een slimme robot zit vol chips en waar zou een robot die zich wil reproduceren al die elektronica vandaan moeten halen? En evoluerende robots bestaan alleen in de computer. Robotica-experts zien het bouwen van een robot die zich kan reproduceren vooralsnog als een onmogelijke opdracht, veel lastiger dan het bouwen van een intelligente robot.

Biedt de nanotechnologie een uitweg? Die werkt met individuele atomen, op een schaal van een miljoenste millimeter, en is druk bezig volwassen te worden. Leo Kouwenhoven, hoogleraar nanotechnologie in Delft, prikt als geboortedatum van het vakgebied de uitvinding in 1982 van de Scanning Tunneling Microscope ( STM) bij IBM in Zürich. Dit apparaat bevat een naald met een scherpe punt, één atoom groot, waarmee een oppervlak atoom voor atoom is af te tasten. Een team van IBM in Californië heeft onder leiding van Don Eigler laten zien dat een STM ook atomen kan manipuleren, zoals oppakken en verschuiven. Deze groep schreef letterlijk geschiedenis door met individuele xenonatomen op een ondergrond van nikkel netjes de letters IBM te leggen. Inmiddels maken ze de prachtigste patronen, pure nano- kunst.

De aanstaande zegeningen van de nanotechnologie komen uitbundig aan bod in Engines of Creation van de Amerikaan Eric Drexler. In dit boek uit 1986 krijgt de lezer voorgespiegeld dat in een niet al te verre toekomst atomen en moleculen dankzij nanotechnologie individueel zijn te herschikken, zodat zich uit afval naar wens een brood of een biefstuk laat construeren. Ook voorspelde Drexler de opkomst van de nanobot, minuscule robotjes die zichzelf in elkaar zetten en bijvoorbeeld in een bloedbaan levensbedreigende ongerechtigheden uit de weg ruimen.

LUIE STOEL

Utopie of aanstaande werkelijkheid? Kouwenhoven, dit studiejaar in Harvard betrokken bij het opzetten van een nanoscience centre waar de Technische Universiteit Delft graag mee wil samenwerken, houdt het op het eerste. "Ik heb Don Eigler een keer bezig gezien. Hij zit dan achterover in een luie stoel, turend naar een beeldscherm en één hand aan de muis. Door met die muis te schuiven en te klikken beweegt hij - indirect - een atoom naar een andere positie. Daar gaat al gauw een minuut mee heen en soms is een extra zetje nodig. Wil je langs deze weg een ons van het een of andere materiaal maken, toch al snel een miljoen keer een miljard keer een miljard atomen, dan ben je langer bezig dan de leeftijd van het heelal. Praktisch is anders." Zelf-assemblage is geen uitweg uit dit probleem, vindt Kouwenhoven. "Atomen zich vanzelf laten rangschikken lukt alleen in simpele situaties. Zodra het om iets bruikbaars gaat heb je te maken met complexe ordeningen, denk maar aan een printplaat. Op dit moment is er geen enkel idee, zelfs geen slecht idee, hoe je complexe structuren via de weg van zelf-assemblage zou moeten maken. Drexler heeft makkelijk praten, die neemt in zijn utopieën zelf-assemblage als vertrekpunt. Zo kan ik het ook. We zien hem eerder als een fantast, als een collega van Asimov, dan als een serieuze wetenschapper. Met dit verschil dat Asimov zich tenminste als schrijver van science fiction presenteerde. Al moet je Drexler wel toegeven dat zijn propaganda de weg heeft geplaveid voor het nano-intiatief van Clinton en daar zijn miljarden dollars mee gemoeid." Een ander boek waar Bill Joy in zijn Wired-essay naar verwijst is The Age of Spiritual Machines van Ray Kurzweil. Daarin betoogt deze computerexpert dat de komende dertig jaar het onderscheid tussen computers en mensen steeds verder zal vervagen. Computers zullen in de toekomstvisie van Kurzweil rechtstreeks op de hersenen worden aangesloten. Wat de mogelijkheid opent ons bewustzijn op een harde schijf te downloaden dan wel de menselijke hersenen naar believen te programmeren.

Daarvoor is wel eerst een interface tussen elektronica en zenuwcellen vereist. Aan de Universiteit Twente houdt neurotechnoloog dr. Wim Rutten zich al enige jaren bezig met het ontwerpen van zo'n koppeling - niet om tot een 'bionische mens' te komen maar om patiënten met niet-functionerende zenuwbanen ter wille te zijn. Ruttens onderzoeksgebied omvat een combinatie van neural en cellular engineering.In eerste instantie is in Twente een chip gebouwd met daarop 128 naaldjes van silicium die als elektrodes fungeren. Ze zijn 0,25 tot 0,60 millimeter hoog en staan op onderlinge afstanden van 0,12 millimeter. Die maten zijn afgeleid van de doorsneden van de zenuwbanen die de elektrodes moeten aansturen. Rutten: "Denk aan een patiënt met verlamde spieren. Dat komt doordat de zenuwen die spier niet meer aansturen, bijvoorbeeld door een ruggenmerglaesie. Het kan ook zijn dat je retina niet goed meer werkt en de oogzenuw nog wel, of dat het binnenoor het laat afweten terwijl de gehoorzenuw nog prima functioneert. Wil je die zenuwen kunstmatig stimuleren, dan loop je tegen een schaalprobleem aan. Een zenuwbundel bestaat uit zenuwvezels die ieder een honderdste millimeter dik zijn. Daar moet je met je elektrodes vlakbij in de buurt komen, anders ben je niet selectief genoeg en stuur je te veel zenuwen tegelijk aan." Bij spieren gaat het om zo'n 100 banen, bij het oor zijn het er 10.000 en bij het netvlies praat je over een miljoen. Rutten: "Het is een illusie te denken dat je met een artefact binnen een zenuw genoeg ruimte hebt om die één op één te bedienen. Toch is met een probe grote vooruitgang te boeken. In het geval van het binnenoor lopen er tienduizenden mensen rond met een implantaat bestaande uit 16 elektrodes. Dat zijn er lang geen 10.000 maar toch kan het spraakverstaan zo enorm vooruitgaan. Het illustreert dat de natuur redundant is en dat complete, gedetailleerde vervanging niet hoeft."

Inmiddels experimenteren Rutten en zijn medewerkers met een nieuwe aanpak: niet de elektrodes naar de zenuwen brengen maar de zenuwen naar de elektrodes. Rutten: "Dat maakt het technologisch wat simpeler want je kunt dan aan platte substraten denken, plaatjes met elektrodes waarop je zenuwen laat groeien. Die zenuwcellen halen we uit rattenembryo's en we zijn in staat een netwerk te maken dat ongeveer een maand in leven blijft. Tegelijk willen we andere zenuwcellen laten uitlopen om zich met dat netwerk te verknopen. Uiteindelijk wil je zo'n cultured probe in het lichaam implanteren, pas dan weet je of deze semi-hybride aanpak een kans van slagen heeft."

Komt daarmee de door Kurzweil voorspelde directe koppeling van de hersenen aan elektronica inderdaad in beeld? Rutten zegt dat het zo'n vaart niet zal lopen. "Al tientallen jaren kun je één hersencel benaderen met één micropipet. Maar om zo alle honderd miljard hersencellen die we rijk zijn te benaderen, of zelfs maar een fractie daarvan, is natuurlijk geen optie. Bij tien stuks zit je al met iets dat een millimeter groot is, en waar een houder bij hoort en micromanipulatoren. Zelfs in het lab kun je daar gewoon niet mee uit de voeten. Ook met micro-elektronica heb je dat ruimteprobleem. In de praktijk is het aftappen van de hersenen niet aan de orde, dat gaat echt niet."

NEURAAL NETWERKJE

Wat wel kan is een neuraal netwerkje van zo'n tien- tot honderdduizend levende zenuwcellen laten groeien, een klein hersensysteem dat spontaan elektrische activiteit te zien geeft. Rutten: "Met enige reserve zou je kunnen zeggen: het systeem is wat aan het denken. Wat daar precies gebeurt weten we nog niet, waarschijnlijk heeft het geen enkele zin in termen van functies. Maar we willen wel kijken of zo'n spontane ontwikkeling van een neuraal netwerk typische patronen te zien geeft. Uit experimenten in samenwerkingsprojecten met het Herseninstituut in Amsterdam zijn daar al sterke aanwijzingen voor gebleken. Ook gaan we het systeem stimuli aanbieden, in ons geval afkomstig van lichtsensorsignalen uit de 'ogen' van een simpel robotkarretje. Aan het netwerk, dat leeft en dus voortdurend verandert, knopen we 60 elektroden vast. De ene helft biedt stimuli aan, de andere helft pikt op wat er gebeurt. Valt zo'n netwerk te trainen? Is de zaak zo te beïnvloeden dat er leergedrag ontstaat? Kunnen we het netwerk het robotje laten sturen zodat het al doende leert de lichtsignalen te volgen? De gedachte is dat ons breintje door zijn parallelliteit wel eens dingen zou kunnen die we met kunstmatige neurale netwerken, ook al zijn ze nog zo groot en zo snel, niet voor elkaar krijgen."

Dat alles staat mijlenver weg van onze echte hersenen, benadrukt Rutten. "Honderd miljard hersencellen met tienduizend verknopingen per stuk is iets totaal anders. Vergeleken met zulke aantallen is wat wij in de praktijk kunnen ontstellend bescheiden."