Organische chips communiceren als levende cellen

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.”

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.”