Das Feld der Organoid-Intelligenz hat einen spürbaren Entwicklungsschub erhalten: Erstmals hat ein aus menschlichen Stammzellen gezüchtetes neurales Gewebe die Fähigkeit demonstriert, taktile Informationen zu verarbeiten und einzelne Braille-Zeichen zu identifizieren. Forscher der Bristol University bezeichnen das Ergebnis als Durchbruch, da das Experiment die grundsätzliche Machbarkeit zeigte, dass «lebende» neuronale Netzwerke mit sensorischen Daten arbeiten können, die zuvor als ausschließliche Domäne elektronischer Prozessoren galten.

Wie der Aufbau funktioniert: Von Stammzellen zur Multi-Elektroden-Matrix

Als «Rechner» dienten Vorderhirn-Organoide mit einer Größe von jeweils unter einem Millimeter, die rund 10 000 Neuronen und Hilfszellen enthielten. Die Kolonien wurden auf Multi-Elektroden-Matrizen gezüchtet — Geräten, die gleichzeitig die Abgabe elektrischer Impulse und die Aufzeichnung der Aktivität von Nervenzellen über die gesamte Probenfläche ermöglichen. Genau diese Konfiguration machte sowohl die Dateneingabe als auch das Auslesen der neuronalen Antwort möglich.

Taktiler Sensor und Codierung von Buchstaben in elektrische Signale

Die Daten für die Übertragung in das «Gehirn» wurden von einem Evetac-Taktilsensor generiert, der Kombinationen erhabener Punkte scannte, die den 26 Buchstaben der Braille-Schrift entsprechen. Die gewonnene Information wurde in elektrische Impulse umgewandelt, indem sie in Amplitude, Frequenz und Phase des Signals codiert und den Organoiden über die Elektroden der Matrix zugeführt wurde. Die entstehende neuronale Aktivität wurde von denselben Elektroden aufgezeichnet und an einen maschinellen Lernalgorithmus auf einem Computer übertragen.

Buchstabenerkennung und Störungsresistenz

Zur Bestimmung der Buchstaben wurde die Methode der Support Vector Machines (SVM) eingesetzt, die charakteristische Muster neuronaler Aktivität klassifiziert. Ein einzelnes Organoid lieferte eine Erkennungsgenauigkeit von 61 %, während die Kombination der Daten von drei Organoiden sie auf 83 % erhöhte. In einem zusätzlichen Test erwies sich das System mit Organoiden als widerstandsfähiger gegen künstliche Störungen als ein Algorithmus, der verrauschte Eingangsdaten direkt verarbeitete — dies gibt Grund zu der Annahme, dass biologische Systeme ein potenziell zuverlässigeres Datenverarbeitungswerkzeug darstellen.

Warum drei Organoide besser sind als eines — und was dem Experiment fehlte

Wissenschaftler können derzeit noch nicht genau erklären, warum die gemeinsame Arbeit von drei Organoiden ein besseres Ergebnis lieferte als die eines einzelnen. Eine Hypothese: Unterschiede in den neuronalen Verbindungen und der Aktivität einzelner Strukturen liefern sich ergänzende Informationen — ähnlich wie drei Beobachter mit individuellem Blickwinkel ein vollständigeres Bild eines Objekts formen. Wichtig ist, dass das Experiment ohne Feedback zur Korrektheit der Erkennung durchgeführt wurde: Die Organoide erhielten Informationen, aber es fand kein Lernen statt. Das Ziel bestand darin, die grundsätzliche Möglichkeit der Verarbeitung ursprünglich taktiler Informationen zu beweisen, und die Forscher haben dies erreicht.

Perspektiven des biohybriden Rechnens

In Zukunft beabsichtigt das Team, die Verarbeitung anderer taktil Signale — Informationen über Texturen und Objektgrenzen — sowie die Möglichkeit der Schaffung geschlossener Systeme mit Feedback zu untersuchen. Biohybrides Rechnen wird als vielversprechende Richtung angesehen, jedoch ist die praktische Überlegenheit solcher Systeme gegenüber herkömmlichen elektronischen Prozessoren noch nicht bewiesen, und deren Bestätigung wird das nächste Ziel der Entwickler sein.