Neuronen maken kabaal

Agoriaprijswinnares Hannah Pinson (VUB) onderzocht voor haar masterproef in de fysica hoe de neuronen in onze hersenen met elkaar communiceren. Op basis van haar resultaten schreef ze aansluitend een tweede masterproef in de computerwetenschappen, over hoe ze deze bevindingen kan toepassen in artificiële intelligentie.

Hannah Pinson: “We boeken enorme vooruitgang op het gebied van artificiële intelligentie, maar we weten nauwelijks hoe de menselijke intelligentie in elkaar steekt. Op zich is dat niet verwonderlijk. Neuronen, de cellen waaruit onze hersenen zijn opgebouwd, zijn zo klein dat het tot voor kort onmogelijk was om de activiteit van een groot netwerk aan neuronen precies te meten.”

De activiteit van neuronen in échte hersenen meten is ook vandaag nog te moeilijk: de cellen in het brein zitten te dicht op elkaar. Daarom deed Pinson haar onderzoek op een gekweekt netwerk van neuronen, gemaakt op basis van stamcellen door collega’s aan de universiteit van Harvard. Geen stamcellen uit embryo’s, maar stamcellen afgeleid uit huidcellen.

Drumsolo’s

Dat gekweekte netwerk plaatsten ze op een supergevoelige sensor. Om informatie te verwerken zenden de neuronen voortdurend kleine elektrische signalen uit: de sensor registreerde het ritme van de signalen.

Hannah Pinson vergelijkt het met drummers: “Neuronen spelen zonder enig ritme en compleet uit de maat, een beetje alsof een driejarige kleuter een experimenteel stukje jazz aan het opvoeren is. Een ongestructureerd kabaal dat nochtans de basis vormt van alles wat je zegt, denkt en doet.” Uiteindelijk wilden ze de communicatiepatronen in het netwerk ontdekken: “Welke neuronen zenden zenuwimpulsen uit naar welke andere neuronen, en hoe lang doen die signalen erover om hun doel te bereiken? Niet eenvoudig, want neuronen zijn erg wispelturig. Soms produceren ze een zenuwimpuls zonder eerst een signaal van een ander neuron te hebben ontvangen.”

Om die communicatiepatronen te ontdekken, moesten ze eerst alle informatie verwerken met geavanceerde statistische methodes en computerprogramma’s. “Hierdoor konden we onder meer aantonen dat, in netwerken waar neuronen veel connecties vormen, de zenuwimpulsen gesynchroniseerd geraken. Hoe meer connecties er zijn, hoe meer de neuronen dus in dezelfde maat begonnen te drummen.”

Zelfrijdende auto’s

Op basis van deze conclusies, die ze in haar fysicamasterproef verwerkte, schreef ze een tweede masterproef in de computerwetenschappen. Daarin onderzocht ze hoe deze inzichten in biologische intelligentie vertaald kunnen worden naar artificiële neurale netwerken. Pinson: “Artificiële neurale netwerken zijn computerprogramma’s waarin sommige eigenschappen van biologische neuronen verwerkt zijn. Ze worden gebruikt in zelfrijdende auto’s, beursvoorspellingen of objectherkenning in foto's.”

Met haar dubbele masterproef won Hannah Pinson de Agoriaprijs voor technologisch en innovatief onderzoek. Daarnaast werd ze ook genomineerd voor de Eosprijs. Momenteel werkt ze aan een doctoraat waarbij ze haar huidig onderzoek aan de VUB verderzet. Voor dat onderzoek keert ze nog regelmatig terug naar het MIT.

Promotoren: prof. Tom Lenaerts en prof. Vincent Ginis; begeleiding door prof. Max Tegmark (MIT)

Lees haar volledige masterproef fysica & computerwetenschappen