Biocomputing in der Medizinelektronik 800.000 lebende Neuronen ersetzen Silizium-Chips

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Forscher nutzen bei der CL1-Plattform lebende Neuronen anstelle von Silizium-Chips. Diese empfangen Eingaben, verarbeiten Informationen und erzeugen elektrische Signale. Die Neuronen lernen komplexe Aufgaben in Minuten und verbrauchen wenig Energie.

Während die Halbleiterindustrie an physikalische Grenzen stößt, könnte die Zukunft des Computing in biologischen Systemen liegen. Reply und die Universität Mailand haben eine vielversprechende Forschungskooperation gestartet, die das Potenzial hat, die Medizinelektronik zu verändern. Im Zentrum steht die CL1-Plattform von Cortical Labs. Das ist ein Biocomputer, der 800.000 lebende menschliche Neuronen als Recheneinheiten nutzt.

Die CL1-Plattform des australischen Biotechnologieunternehmens Cortical Labs markiert einen fundamentalen Paradigmenwechsel in der Computertechnik. Im Gegensatz zu herkömmlichen siliziumbasierten Rechnerarchitekturen nutzt die Rechnerplattform die Verarbeitungskapazitäten lebender menschlicher Neuronen, die mit Softwaresystemen gekoppelt sind. Die CL1-Plattform umfasst rund 800.000 Neurone, die Eingaben empfangen, Informationen verarbeiten und Ausgaben in Form elektrischer Aktivität erzeugen.

Das System arbeitet auf einem planaren Elektroden-Array und ermöglicht eine direkte Interaktion zwischen Software und biologischer Intelligenz. Die Neuronen entwickeln eigenständig Verbindungen untereinander und können bis zu sechs Monate ohne Wartung arbeiten. Besonders für die energiekritische Medizinelektronik interessant: Biologische Rechensysteme verbrauchen einen Bruchteil der Energie herkömmlicher KI-Systeme.

Lernfähigkeit übertrifft klassische KI

Frühere Studien von Cortical Labs zeigen eindrucksvoll das Potenzial biologischer Recheneinheiten. Neuronale Kulturen können Lernaufgaben wie das Spiel Pong innerhalb weniger Minuten und mit deutlich weniger Trainingsbeispielen als klassische KI-Systeme erlernen. Diese adaptive Lernfähigkeit kombiniert mit extremer Energieeffizienz macht Biocomputing zu einer vielversprechenden Alternative für ressourcenkritische Anwendungen in der Medizinelektronik.

Die Kooperation zwischen Reply und der renommierten Abteilung für medizinisch-chirurgische Pathophysiologie der Universität Mailand sowie dem Centro Dino Ferrari und dem Policlinico di Milano konzentriert sich auf vier zentrale Forschungsbereiche. Die Wissenschaftler untersuchen zunächst die Lerndynamik biologischer Neuronen und deren Energieeffizienz im Vergleich mit traditionellen Rechnerarchitekturen.

Parallel dazu stehen die Robustheit, Reproduzierbarkeit sowie die langfristige Stabilität neuronbasierter Computersysteme im Fokus. Das sind entscheidende Faktoren für eine mögliche medizinische Anwendung. Die vierte Forschungsrichtung befasst sich mit der praktischen Umsetzung und Integration in bestehende Systemlandschaften.

„Diese Initiative markiert den Beginn eines Forschungsprogramms zur Erkundung neuer Rechenparadigmen“, erklärt Filippo Rizzante, CTO von Reply. „Unser Ziel ist es, deren potenzielle praktische Wirkung zu bewerten und ihre Implikationen im Hinblick auf Lösungen und Nutzen für Organisationen zu verstehen.“

Durchbruch für die Medizinelektronik

Die Potenziale für die Medizinelektronik sind vielfältig und weitreichend. „Diese Zusammenarbeit eröffnet ein neues Kapitel in der Erforschung biologischer Rechenverfahren“, erklärt Prof. Stefania Corti, Professorin für Neurologie an der Universität Mailand und Direktorin für neuromuskuläre und seltene Erkrankungen am Policlinico di Milano. „Die Integration aktiver Neuronen in digitale Systeme schafft bislang beispiellose Möglichkeiten, Lernmechanismen und neuronale Plastizität zu untersuchen – mit potenziellen Auswirkungen sowohl auf die neurowissenschaftliche Forschung als auch auf rechnergestützte Innovationen.“

Brain-Computer-Interfaces könnten durch biologische Recheneinheiten grundlegend verändert werden, da diese nativ mit neurologischen Signalen kommunizieren. Die extreme Energieeffizienz eröffnet außerdem völlig neue Möglichkeiten für portable Diagnostikgeräte und mobile Gesundheitstechnologien, wo Energieverbrauch oft ein limitierender Faktor ist.

Interdisziplinäre Forschungsansätze

Prof. Linda Ottoboni, Forscherin an der Abteilung für medizinisch-chirurgische Pathophysiologie der Universität Mailand, betont die wissenschaftlichen Möglichkeiten: „Die Arbeit mit biologischen Neuronen in einem rechnergestützten Kontext erlaubt es uns, grundlegende Fragen zur Verarbeitung und Anpassung von Informationen durch neuronale Netzwerke zu untersuchen. Dieses interdisziplinäre Projekt verbindet neurowissenschaftliche Expertise mit modernsten Technologien und trägt so dazu bei, unser Verständnis biologischer Intelligenz weiterzuentwickeln.“

Prof. Carlo Capelli, ordentlicher Professor für Physiologie an der Universität Mailand, sieht in der CL1-Plattform „eine einzigartige Option, die physiologische Dynamik neuronaler Netzwerke in einer kontrollierten rechnergestützten Umgebung zu untersuchen.“ Ein besseres Verständnis der Informationsverarbeitung biologischer Systeme auf zellulärer Ebene könne neue Perspektiven für die integrative physiologische Forschung eröffnen.

Energieeffizienz als Schlüsselfaktor

Prof. Alberto Minetti, Professor für Physiologie und Biomechanik an der Universität Mailand, hebt einen entscheidenden Vorteil hervor: „Aus biomechanischer und physiologischer Sicht versetzt uns dieses Projekt in die Lage, die Energieeffizienz biologischer Rechenprozesse mit künstlichen Systemen zu vergleichen. Das Potenzial zur Untersuchung adaptiver Mechanismen in lebenden neuronalen Netzwerken ist bemerkenswert. So lassen sich die Ergebnisse einfacher dynamischer Gleichgewichtsexperimente beispielsweise mit einer deutlich geringeren Anzahl biologischer Neuronen erzielen.“

Diese Effizienz ist besonders in der Medizinelektronik von Bedeutung, wo Energieverbrauch bei implantierbaren Geräten und mobilen Systemen eine kritische Rolle spielt.

Marktreife und Zukunftsaussichten

Die CL1-Plattform ist bereits kommerziell verfügbar und kostet etwa 35.000 US-Dollar, was sie für Forschungseinrichtungen und innovative Unternehmen zugänglich macht. Dies zeigt, dass Biocomputing den Sprung vom Laborexperiment zur praktischen Anwendung bereits geschafft hat.

Während die Halbleiterindustrie mit steigenden Entwicklungskosten und physikalischen Grenzen kämpft, könnte Biocomputing eine nachhaltige Alternative bieten. Die Kombination aus evolutionär optimierten biologischen Systemen und moderner Elektronik eröffnet völlig neue Ansätze für die Medizinelektronik – von energieeffizienten Implantaten über adaptive Therapiesysteme bis hin zu intelligenten Diagnose-Geräten.

Die Forschungskooperation zwischen Reply und der Universität Mailand könnte wegweisend dafür sein, wie sich diese revolutionäre Technologie in praktische medizinische Anwendungen überführen lässt. Die Frage ist nicht mehr ob, sondern wann Wetware die Hardware in der Medizinelektronik ergänzen wird. (heh)

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