Je leest:

Organische chips communiceren als levende cellen

Organische chips communiceren als levende cellen

Yoeri van de Burgt werkt aan een brein-op-een-chip

Auteur: | 7 november 2021

Om onze hersenen zo goed mogelijk te imiteren moet je vergelijkbare bouwstenen gebruiken, organische materialen dus. Daarmee probeert Yoeri van de Burgt van de TU Eindhoven efficiënte, energiezuinige en goedkope chips te maken, ofwel een brein-op-een-chip.

Dit artikel is onderdeel van een tweeluik over zogenoemde neuromorfe computers, die qua ontwerp op ons eigen brein lijken. Dit soort computers zijn in theorie krachtig, energiezuinig en kunnen zelfs direct met ons lichaam communiceren. Dit artikel kijkt naar zachte, organische materialen waarmee je een brein-op-een-chip kunt bouwen. NEMO Kennislink-redacteur Roel van der Heijden dook in de wereld van de ‘intelligente materie’ en beschrijft hoe je chips op basis van klassieke computermaterialen als silicium en goud ook heel anders kunt laten opereren, en welke nieuwe mogelijkheden dat biedt.

Rekenen en informatie verwerken zoals ons brein dat doet – dat zou een enorme revolutie betekenen voor alles waarvoor we nu klassieke computers inzetten. Dit zogeheten neuromorphic computing is veel efficiënter en daardoor veel zuiniger met energie. En dat maakt weer heel nieuwe toepassingen mogelijk, zoals is te lezen in deel een van dit tweeluik.

Eén met je lichaam

Maar er zijn nog veel meer mogelijkheden als je probeert dichterbij het biologische voorbeeld te komen. Want als je ‘computers’ kunt maken die echt werken zoals onze hersenen, kun je ook veel directer communiceren met biologische materialen, met levende cellen en zelfs met ons zenuwstelsel. Dat zou protheses mogelijk maken die niet alleen signalen van onze zenuwen begrijpen, maar andersom ook feedback geven. Daardoor kan ons brein de prothese beter trainen en aansturen, zodat het hulpstuk veel meer één wordt met het lichaam.

Je kunt ook denken aan combinaties van sensoren die je in of op het lichaam aanbrengt en die doorlopend zaken als hartslag, bloedsuikerspiegel of zuurstofgehalte meten, en daaruit ook meteen kunnen afleiden of er bijvoorbeeld een geneesmiddel afgegeven moet worden. En omdat zo’n ‘slimme pleister’ zelf alle berekeningen uitvoert, is er geen uitwisseling nodig met een centrale computer ergens anders. Het werkt geheel zelfstandig. Dat scheelt enorm: geen bedrading, geen batterijen en geen noodzaak om op een netwerk aangesloten te zijn.

Maar als je serieus richting een dergelijke imitatie van het brein wilt, moet je ‘biologisch’ te werk gaan. Zoals Yoeri van de Burgt, universitair docent aan de TU Eindhoven doet. Hij werkt ook aan neuromorfe chips, maar dan vanuit een heel ander beginpunt dan de chips van Wilbert van der Wiel en collega’s, die weliswaar zeer innovatief zijn, maar ook heel conventioneel wat betreft de materialen die ze gebruiken. Van de Burgt gaat juist voor zachte, organische materialen en hoopt uiteindelijk goedkope, makkelijk te trainen en eenvoudig printbare chips te maken – bijna richting wegwerpchips, en dan moet je niet met silicium en goud werken.

Testopstelling van een neuromorfe chip in het lab van Yoeri van de Burgt. Promovenda Eveline van Doremaele meet hier hoe binnenkomende signalen worden omgezet naar uitgaande signalen.
Esther Thole voor NEMO Kennislink

Koolstof als basis

De levende wereld draait niet op goud of silicium, maar op organische materialen die bestaan uit koolstof, waterstof, zuurstof en stikstof. Daarom gebruikt Van de Burgt deze bouwstenen om zijn op het brein geïnspireerde chips te bouwen. Het gaat hier om zogeheten geleidende organische polymeren; dat zijn lange moleculen die een elektrische stroom kunnen doorlaten en die hun weerstand aanpassen zodra er negatief (elektronen) of positief (ionen) geladen deeltjes het materiaal binnenkomen dan wel verlaten. “Deze polymeren zijn neutraal. Als er een positief geladen ion het materiaal binnenkomt, dan moet dat worden gecompenseerd. Het polymeer duwt als reactie daarop een negatieve lading, een elektron, eruit en dat zorgt voor een aangepaste weerstand”, legt Van de Burgt uit. “Die aangepaste weerstand kun je zien als een ‘geheugen’, het materiaal onthoudt die verandering.”

In ons lichaam en ons brein verloopt veel communicatie via ionen. Materialen als goud en silicium kunnen niets met zo’n signaal, maar organische polymeren wel. Dat maakt ze dus heel geschikt om niet alleen de werking van hersencellen te imiteren, maar ook om direct met levende cellen te communiceren. Van de Burgt en zijn groep hebben dat gedemonstreerd door een klein elektrisch circuit, met daarop een laagje van een geleidend polymeer, te koppelen aan levende hersencellen. Deze cellen scheiden het stofje dopamine uit, dat een belangrijk signaal in onze hersenen is. “Het vrijgekomen dopamine reageert met zuurstof en bij die reactie wordt ook een elektron uit het polymeerlaagje gebruikt. Het polymeer past vervolgens zijn weerstand aan om neutraal te blijven, met als resultaat een veranderde geleidbaarheid. Dat kun je meten als een veranderend stroompje dat door het circuit gaat.” Zo liet het team zien dat je met een natuurlijk signaal uit levende cellen een kunstmatig elektronisch systeem kunt aansturen.

Sterkere synaps

Niet alleen de gebruikte materialen en signalen zijn anders dan bij de ‘harde’ neuromorfe chips, ook de verwerking van de signalen tot informatie is fundamenteel anders. De chips die Van de Burgt maakt, hebben geen externe processor nodig voor de verwerking: alles gebeurt meteen in de hardware ofwel het organische materiaal. Het materiaal is in feite al ‘geprogrammeerd’ om op een bepaalde manier te reageren op signalen. “Wat wij doen zou je in-memory-computing kunnen noemen. We maken iets dat lijkt op een neuraal netwerk: een keten van onderling verbonden knooppunten, waarbij elke verbinding een bepaald ‘gewicht’ meekrijgt dat aangeeft hoe belangrijk deze verbinding is voor het eindresultaat. Dat lijkt sterk op hoe het in de hersenen gaat. Neuronen zijn verbonden via een zogenoemde synaps (een verbinding) en hoe vaker twee neuronen met elkaar communiceren, hoe sterker die synaps wordt. Zo kun je de verbindingen in ons netwerk ook zien: hoe belangrijker een verbinding is voor het eindresultaat, hoe meer gewicht die krijgt.”

Detailopname van de meetopstelling van promovenda Eveline van Doremaele. De naalden prikken in een laagje van de organische, geleidende polymeren. Een binnenkomend elektrisch signaal gaat via het laagje naar een ander deel van de chip, waar het uitgaande signaal via een andere naald wordt gemeten.
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

Het grote voordeel, vooralsnog in theorie, is dat zo’n in-memory-systeem veel efficiënter is te trainen. “Het is een netwerk van weerstandjes die je aanpast, allemaal tegelijk. Dat is heel efficiënt.” Het programmeren van verbindingen in zo’n netwerk is dankzij de organische polymeren heel voorspelbaar, aldus Van de Burgt. “Een ion erin, is een elektron eruit. Dat verandert niet.” Een nadeel van de organische polymeren is dat ze niet alleen reageren op het gewenste signaal, maar ook reageren met bijvoorbeeld zuurstof uit de lucht. “Dat soort parasitaire reacties zijn onvermijdelijk; organische materialen reageren nou eenmaal heel makkelijk. Daardoor houdt het geheugen van onze netwerken niet oneindig stand: na verloop van tijd worden zaken ‘vergeten’.”

Desondanks ziet Van de Burgt belangrijke mogelijkheden voor deze organische chips. “Door de hoge voorspelbaarheid kunnen deze chips heel autonoom werken. Je weet precies wat ze doen en je hebt geen externe computer nodig om te controleren of datgene wat je wilde programmeren ook echt is gelukt. En je kunt zo’n netwerk steeds opnieuw trainen, iets wat met een silicium chip niet kan.” Andere voordelen zijn volgens hem dat deze systemen zeer weinig energie verbruiken, dat het zachte materialen zijn en dat ze biocompatibel zijn: ze kunnen direct ‘praten’ met biologische materialen. Dat ze eenvoudig zijn te maken en te printen en ook nog eens heel goedkoop zijn in vergelijking met de materialen in de klassieke chips is natuurlijk ook mooi meegenomen.

Opnieuw trainen

Grote vraag is natuurlijk waar je deze organische chips op termijn voor kunt inzetten. Een serieuze concurrent voor de chips van giganten als IBM en Intel lijken ze niet te worden. Dat is ook niet wat Van de Burgt voor ogen heeft. “Wij zien lab-on-a-chip-toepassingen (miniatuurversies van laboratoriumtesten, red.) als een goede niche, bijvoorbeeld voor diagnostiek. Zo’n chip kan signalen classificeren om zo informatie over een mogelijke ziekte te achterhalen – denk aan het herkennen van kankercellen in een bloedmonster. Het voordeel van onze chips zou zijn dat je steeds nieuwe inzichten kan verwerken in de chip, doordat je die opnieuw kunt trainen aan de hand van nieuwe data.”

Schematische weergave (niet op schaal) van de communicatie tussen een zenuwcel die biologische signalen ontvangt en in antwoord daarop dopamine afgeeft. Het dopamine reageert vervolgens en wordt door het neuromorfe materiaal omgezet in een elektrisch signaal.

Uitgelicht door de redactie

Taalwetenschap
‘Mijn moedertaal voelt als thuis’

Taalwetenschap
Graven naar je weggezakte moedertaal

Geneeskunde
Muziek als medicijn

Een andere belangrijke toepassing ligt volgens Van de Burgt in de directe communicatie met ons lichaam. Denk aan sensoren die je op de huid plakt en die continu signalen uit je lichaam registeren en verwerken en op basis daarvan geneesmiddelen afgeven. Of aan implantaten, zoals pacemakers of elektroden in de hersenen, die dan niet meer van rigide, lichaamsvreemde materialen zijn gemaakt, maar van materialen die veel beter aansluiten bij ons lichaam. “Omdat onze chips zo weinig energie verbruiken en alle informatieverwerking direct in de chip plaatsvindt, heb je geen koppeling nodig met externe apparaten of stroomvoorziening.”

Tot slot ziet Van de Burgt mogelijkheden om protheses beter en directer te laten communiceren met de hersenen door de zenuwuiteinden te koppelen aan een ‘interface’ van geleidende polymeren. “Als je deze tussenlaag adaptief maakt, dus dat het materiaal zich aanpast onder invloed van signalen vanuit de hersenen, kan de patiënt veel directer de prothese trainen. Dat gaat veel sneller dan wanneer de prothese de signalen eerst naar een externe computer moet sturen, die alles verwerkt en een gecorrigeerd signaal terugstuurt. Ik denk dat we met onze materialen hier veel voordelen kunnen bieden.”

Vergezichten

De mogelijkheden zijn er, maar de praktische toepassingen zijn nog niet in zicht, geeft Van de Burgt toe. “De grote uitdaging voor ons is hoe we zo’n netwerk goed en efficiënt kunnen trainen door het gewicht van alle verbindingen in één keer aan te passen. Als we dat principe begrijpen, kunnen we echt een stap zetten.”

Bronnen:

  • Y. van de Burgt, A. Melianas, S.T. Keene, G. Malliaras, A. Salleo, Organic electronics for neuromorphic computing, Nature Electronics (2018), doi:10.1038/s41928-018-0103-3
  • S. Keene, Y. van de Burgt, Lowering the threshold for bioelectronics, Nature Materials (2020), doi:10.1038/s41563-020-0623-x
  • S.T. Keene, C. Lubrano, S. Kazemzadeh, et al., A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity, Nature Materials (2020), doi:10.1038/s41563-020-0703-y
  • E. van Doremaele, P. Gkoupidenis, Y. van de Burgt, Towards organic neuromorphic devices for adaptive sensing and novel computing paradigms in bioelectronics, J. Materials Chemistry C (2019), doi:10.1039/C9TC03247A/
  • College van Yoeri van de Burgt voor de Universiteit van Nederland, Hoe print je een brein op een computerchip?
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 07 november 2021

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

Thema: Leven bouwen met moleculen

Bin im Garten, via CC BY-SA 3.0
Leven bouwen met moleculen
Zonder het vermogen van moleculen om zichzelf te organiseren zou jij niet bestaan. In de natuur zie je het overal: verschillende moleculen klitten samen tot onderdelen van cellen, die onderdelen organiseren zich op hun beurt weer tot complete cellen. Cellen vormen weefsels, weefsels vormen organen, en organen vormen organismen. Hoe ver komen chemici met het imiteren van die werkwijze?
Bekijk het thema
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.