Aan de TU Eindhoven gaan ingenieurs en biomedisch onderzoekers in het project BayesBrain ’s werelds eerste computer bouwen die hersencellen en silicium microchips combineert.

 

Computers, en de microchips waarop die machines draaien, hebben ons grote welvaart gebracht. We googelen, appen en streamen ons een slag in de rondte.

Deze computers gebruiken echter ook een enorme hoeveelheid energie, in de vorm van elektriciteit. Het rekenwerk van die processoren moet toch zuiniger kunnen, dachten onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (samen met veel andere onderzoeksgroepen, zie wat wij er eerder over schreven).
 

Weinig energie

Ze richtten hun blik op het menselijk brein, dat is geëvolueerd tot een orgaan dat behoorlijk weinig energie nodig heeft om ingewikkelde berekeningen op te lossen.

Onder de noemer BayesBrain gaan zij nu een apparaat bouwen waarin echte menselijke hersencellen samenwerken met een op silicium gebaseerde computer. Deze brain-on-a-chip AI-computer — naar eigen zeggen 's werelds eerste — moet problemen in real-time en op een energiezuinige manier kunnen oplossen.
 

Hersencellen combineren moeilijk met silicium

Dit klinkt behoorlijk ambitieus, want menselijke hersencellen laten zich maar moeilijk combineren met componenten van silicium. ‘Silicium is anorganisch en een hard materiaal. Direct contact hiermee vinden hersencellen niet zo prettig’, zegt Regina Luttge, onderzoeker op de leerstoel Neuro-Nanoscale Engineering aan de TU Eindhoven en samen met collega Bert de Vries (faculteit Elektrotechniek) één van de leiders van het project.
 

Regina Luttge en Bert de Vries, die het project BayesBrain leiden. Foto Bart van Overbeeke

 

In leven houden

De eerste stap van het project is dan ook om hersencellen op een chip in leven te houden, zodat ze zich kunnen vormen tot een neuraal netwerkje van ongeveer duizend hersencellen. Deze brain-on-a-chip wordt vervolgens gekoppeld met het silicium-gedeelte van het BayesBrain.

‘Het idee is dat op het traditionele computergedeelte een algoritme draait dat een berekening uitvoert. Op een bepaald moment stuurt dit algoritme een signaal naar het brein-netwerkje. Dat doet een bewerking en stuurt vervolgens een signaal terug naar het silicium’, aldus Luttge.
 

Nieuwe taal nodig

Illustratie TU/e

Dit is echter nog toekomstmuziek, want eerst moet blijken uit het onderzoek hoe het brein-netwerkje zich precies gaat gedragen. Luttge: ‘Misschien dooft het signaal wel uit of komt het biologische systeem juist nooit meer tot rust. Wat ook kan is dat er wel iets gebeurt, maar er geen zinnig signaal terugkomt.’

Behalve de totaal nieuwe hardware zullen enkele onderzoekers in het team ook de benodigde nieuwe software schrijven. ‘Die twee afzonderlijke systemen zullen op de een of andere manier met elkaar gaan praten, gaan communiceren. Als het netwerkje van breincellen een bepaald signaal afgeeft, wat betekent dat dan? Daarvoor is een nieuwe taal nodig’, zegt Luttge.


Gezond netwerkje van hersencellen

Het project is een onderneming van de lange adem. Op korte termijn verwacht Luttge dat het lukt om een gezond, werkend driedimensionaal netwerkje van hersencellen op een microfluïdische chip te bouwen. Daarvoor zijn bijvoorbeeld kanaaltjes nodig die water en voedingsstoffen aanvoeren, anders zouden de cellen doodgaan. Ook is de juiste temperatuur en druk nodig om de cellen te laten floreren.
 

Eenvoudige berekeningen

Over een paar jaar kan het BayesBrain naar verwachting een paar eenvoudige berekeningen uitvoeren. ‘Op langere termijn hopen we dat we ook echt wiskundig kunnen beschrijven hoe ons systeem werkt.’

Daarmee zou het onderzoek in Eindhoven dus niet alleen een energiezuinige computer kunnen opleveren, maar ook biologen meer inzicht kunnen verschaffen over hoe het brein werkt.

Op 1 april gaat de eerste promovendus binnen het project BayesBrain van start.

 

Openingsbeeld Shutterstock