Start-up entwickelt Bioprozessor-Plattform mithilfe von Neuronen

Aus der Ferne Experimente mit lebenden In-vitro-Neuronen als Bioprozessoren durchführen: Diese Möglichkeit eröffnet das Schweizer Bioinformatik-Start-up FinalSpark. Auf der ersten Online-Plattform ihrer Art können Forscher entsprechende Experimente rund um die Uhr vornehmen.

Neuroplatform bietet 24 Stunden lang Zugang zu 16 menschlichen Hirn-Organoiden. Diese Bioprozessoren, bestehend aus lebenden Neuronen, sind in der Lage, zu lernen und Informationen zu verarbeiten. Sie verbrauchen eine Million Mal weniger Energie als herkömmliche digitale Prozessoren – und können, so das Start-up, die mit der zunehmenden Nutzung von Rechenleistung verbundenen Auswirkungen, wie sie bei generativen KI-Modellen der Fall sind, potenziell verringern.

FinalSpark gibt an, dass drei Dutzend Universitäten Interesse an der Nutzung der Plattform bekundet haben. Neun Institutionen haben bereits einen kostenlosen Zugang ausschließlich für Forschungszwecke erhalten. „Wenn die Nachfrage nach unserer Neuroplattform wächst, werden wir in der Lage sein, diese zu erweitern – mit dem gemeinsamen Ziel, den ersten lebenden Prozessor der Welt zu bauen. Wir sind fest davon überzeugt, dass sich eine so ehrgeizige Zielsetzung nur durch internationale Zusammenarbeit erreichen lässt“, sagt Dr. Fred Jordan, Mitbegründer von FinalSpark.

Für FinalSpark haben die Annäherungen zwischen Künstlicher Intelligenz, den jüngsten Fortschritten in der Biologie und der Stammzellentechnologie neue Horizonte im Bereich der synthetischen Biologie und der sogenannten Wetware eröffnet. Letztere verwendet Computer aus organischen Materialien. „Mit der Einführung unserer Neuroplattform stehen wir ganz am Beginn dieser spannenden Reise. Das ist ein inspirierender Moment für uns Forscher“, betont Martin Kutter, Mitgründer von FinalSpark.

Eine wissenschaftliche Veröffentlichung über die Neuroplattform von FinalSpark ist kürzlich in der Zeitschrift Frontiers erschienen.

Zur Funktionsweise

Die Neuroplattform von FinalSpark basiert auf einer Wetware-Architektur: Sie ist eine Mischung aus Hardware, Software und Biologie, die vier Multi-Elektroden-Arrays (MEAs) verwendet, in denen lebendes Gewebe untergebracht ist. Dieses liegt in Form von Organoiden aus Hirngewebezellen vor: Kleine Cluster von Neuronen (spezialisierte Zellen im Nervensystem, die elektrische und chemische Signale übertragen), welche aus Stammzellen gezüchtet wurden.

In jedem MEA sind vier Organoide mit acht Mini-Elektroden verbunden. Diese kleinen Elektroden nehmen Messungen der Zellaktivität in Echtzeit vor und ermöglichen die Simulation, Aufzeichnung und Verarbeitung von Daten mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers. Die Plattform umfasst außerdem eine auf der Programmiersprache Python basierende Software. Anhand dieser können Nutzer mit den Bioprozessoren interagieren.

Kurz gesagt: Die Bioprozessor-Plattform von FinalSpark verwendet 16 Hirn-Organoide für die Ausführung von Rechenaufgaben. Größter Vorteil dabei ist, dass diese nur einen Bruchteil der Energie verbrauchen, die herkömmliche Siliziumchips benötigen.

Da sie lebendes Gewebe verwenden, haben die Bioprozessoren allerdings mit dem Problem der Sterblichkeit der Organoide zu kämpfen. Ihre Lebenszeit betrug ursprünglich nur wenige Stunden. FinalSpark gibt jedoch an, Fortschritte bei den MEA-Systemen gemacht zu haben und die operative Nutzungsdauer auf 100 Tage verlängern zu können – so heißt es auf der SpiceWorks-Website.

Beitrag zum Umweltschutz

Auf dem Unternehmensblog erklärt FinalSpark seine Haltung zum Umweltschutz. Das Start-up vertritt die Meinung, unkonventionelle Datenverarbeitung sei der beste Weg, um durch die Reduzierung der CO2-Emissionen einen Beitrag zum Umweltschutz zu leisten. Als einen der größten Vorteile des biologischen Rechnens von Neuroplatform hebt es die Tatsache hervor, dass Neuronen Informationen mit deutlich weniger Energie verarbeiten.

FinalSpark schätzt, dass neuronenbasierte Bioprozessoren eine Million Mal weniger Energie verbrauchen könnten als ihre Pendants aus Silizium. „Wenn wir sie mit den heute schnellsten Computern wie dem Hewlett Packard Enterprise Frontier vergleichen, können wir Folgendes feststellen: Das menschliche Gehirn verbraucht bei ungefähr gleicher Geschwindigkeit und mit tausendmal mehr Speicher nur zwischen 10 und 20 Watt, während der Computer 21 Megawatt benötigt“, heißt es in dem Beitrag des Unternehmens.

Natürlich ist die Verwendung lebender Neuronen zum Bau von Bioprozessoren keine leichte Aufgabe. Außerdem ist noch immer nicht bekannt, wie der Mensch sie wirklich programmieren kann. Dazu muss noch viel experimentiert werden – und genau das soll die FinalSpark Neuroplatform erleichtern: Sie soll die Zusammenarbeit zwischen Forschern auf diesem Gebiet zu fördern, um diese Blackbox voller leistungsfähiger Berechnungswerkzeuge zu enträtseln und nutzbar zu machen.