Hirn-Organoid mit KI: Forscher um Hongwei Cai der Indiana Universität haben ein aus menschlichen Zellen gezüchtetes Hirn-Organoid mit Elektronik verknüpft, sodass ein Hybrid-Computer entstanden ist.
Mensch-Maschine-Verschmelzungen waren lange Zeit Utopien der Transhumanisten und Stoff für Science Fiction.
Doch Mensch-Maschine-Schnittstellen, Cyborgs und Roboter mit Hirn sind mit der Zusammenarbeit von Neurobiologie und Technik auf dem Weg aus den Vorstellungen von Transhumanisten und Science-Fiction-Autoren zur Realität zu werden.
Nature Electronics entwickelte z.B. einen Hirn-Organoiden mit elektronischer Umgebung, der Sprache lernen kann und mathematische Gleichungen lösen.
Selbstlernende Systeme aus reinen KI-Systemen, wie ChatGPT benötigen Millionen Watt, um funktionieren zu können, außerdem können sie bis heute kein Bewusstsein ausbilden und benötigen jahrelanges Training. Selbstlernende Systeme aus KI sind Energiefresser. Schon länger arbeiten Wissenschaftler daran, sie mit lebendigen Geweben zu verbinden. Das menschliche Hirn benötigt im Vergleich nur wenige Watt.
Von der Stammzelle zum Organoid
Hirnorganoid
Ein Organoid ist eine Organstruktur, die in vitro dreidimensionale Gewebestrukturen eines Organs aus Stammzellen entstehen lässt.
Hirnorganoide können für bestimmte Hirnareale mit der entsprechenden Gewebestruktur in Nährlösung entwickelt werden. Sie bestehen aus Nerven- und Gliazellen. Sie werden heute aber nicht größer als eine Erbse, ein komplettes Gehirn kann noch nicht herangezüchtet werden.
Die Hirn-Organoide reagieren ähnlich wie ein menschliches Gehirn auf Reize und senden elektrische Signale aus, sie ändern ihre Reaktionen und bilden Verknüpfungen.
Hirn-Organid mit KI-System
Von der KI zur Brainoware
Forscher um Hongwei Cai der Indiana Universität haben ein aus menschlichen Zellen gezüchtetes Hirn-Organoid mit Elektronik verknüpft, sodass ein Hybrid-Computer entstanden ist.
Sie platzierten ein Hirn-Organoid auf einer Elektrodenplatte, so konnten sie die Hirnströme ableiten und es Reizen aussetzen. Das Netzwerk erhält eine externe elektrische Stimulation und sendet Ausgaben über die neuronale Aktivität des Minihirns, als Basis für eine biologisch-elektrische KI.
Zunächst sollte die „Brainoware“ lernen japanische Silben zu erkennen, dafür wandelte die externe Elektronik die akustischen Signale in elektrische Pulse um und leitete sie an das Hirn-Organoid weiter. Die Reaktion des Minigehirns wurde dann von der Elektronik wieder dekodiert.
Anfangs produzierte das Hirn-Organoid nur Zufallstreffer, während es nach 4 Trainings-Einheiten bereits eine Trefferquote von 78% erreichte, die japanischen Silben zu erkennen.
Auch die Struktur des Hirn-Organoiden veränderte sich, es entwickelte mehr Verknüpfungen als untrainierte Organoide und neue Synapsen .
Künstliche Intelligenz soll so effizienter und leistungsfähiger werden.
Die sogenannte Brainoware lernte durch Training nichtlineare Gleichungen zu lösen und Sprachsilben zu erkennen.
Erste bioorganische Hybridsysteme waren Roboter mit Nervenzellen.
Mensch-Nager-Chimären
Hirn-Organoide in Ratten
Ein Forscherteam um Omer Rehvar, Felicity Gore, Kevin W. Kelley der Stanford Universität USA, Abteilung Psychiatrie und Verhaltensforschung, untersuchte Chimären aus Ratten, denen ein menschliches Hirn-Organoid eingepflanzt wurde.
Da in vitro erzeugte Hirn-Organoide die Untersuchungsmöglichkeiten begrenzen, weil sie sich in vivo nicht vernetzen können, nicht an einen Blutkreislauf angebunden werden und keine Verhaltensweisen ausbilden können, konnten mit in vivo heranreifende Zellen in Rattenhirnen diese Grenzen überwinden, ausreifen, Vernetzungen bilden und könnten in Zukunft Verhaltensauffälligkeiten z.B. bei psychischen Erkrankungen oder Demenz aufzeigen.
Bereits ältere Versuche an erwachsenen Nagern zeigten, dass die menschlichen Organoide in Ratten überleben können, jedoch war das Trainingsverhalten der Zellen eingeschränkt. In neugeborenen Ratten implantierte menschliche Hirnzellen hatten die Möglichkeit sich weiter zu vernetzen und heranzureifen. Sowohl im MRT als auch in Versuchen zum Lernverhalten der Ratten gab es Hinweise, dass die implantierten Organoide auf Reize reagieren und das Verhalten der Ratten beeinflussen können.
Das Hirnorganoid wurde aus Stammzellen der Großhirnrinde angezüchtet und in den Kortex neugeborener Ratten transplantiert. Rehvar und andere konnten zeigen, dass Organoide aus kortikalen menschlichen Stammzellen reife Hirnzellen in vivo bei Ratten ausbilden konnten.
Sergiu Pasca: „Wir platzieren die Organoide durch einen chirurgischen Eingriff direkt in dem Teil des Kortex, der auf die Schnurrhaare der Ratte reagiert. Dann entdeckten wir, dass in den nächsten Monaten Blutgefäße innerhalb des menschlichen Transplantats wachsen und das Transplantat so überlebt. Es kann bis zu 9–10 Mal so groß werden. Und im Wesentlichen erhält man am Ende eine Einheit menschlichen Kortex, die auf einer Seite einer Hemisphäre der Ratte sitzt und etwa ein Drittel der Hemisphäre der Ratte bedeckt.“
In vitro erzeugte Hirn-Organoide dienten Forschern bisher, um Krankheiten zu untersuchen und Therapien zu entwickeln. Diese Untersuchungen waren jedoch begrenzt, in neugeborenen Ratten implantierte Hirn-Organoide entwickeln sich sowohl anatomisch als auch funktionell in den Rattenhirnen. Die Forscher erhoffen sich hier, mehr über die Gehirnentwicklung und die Entstehung und Behandlung von Menschen mit neurologischen und psychischen Erkrankungen zu lernen. Die Studie ist auf nature erschienen. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05277-w
Ethik
Mensch-Maschine-Verschmelzungen sowie Chimären werfen natürlich auch Fragen zur Ethik auf. Forscher erhoffen sich bei Hirn-Organoiden mehr Effizienz in der Datenverarbeitung und Stromersparnis der KI, doch was ist, wenn die KI bei weiterer Forschung auf diese Weise Bewusstsein entwickeln kann? Wissenschaftler erhoffen sich zwar eine KI mit Bewusstsein, das sei der nächste Schritt bei der KI, doch welche Folgen hätte das?
Ähnlich verhält es sich mit Mensch-Tier-Chimären, was würde passieren, wenn menschliche und tierische Gehirne in Zukunft verschmelzen könnten und sich unkontrolliert beide Denk- und Verhaltensweisen entwickeln würden?
Was darf der Mensch und wo liegen die ethischen Grenzen?
Wie wäre es juristisch einzuordnen, wenn selbst erschaffene Mensch-Maschine-Konstruktionen oder Mensch-Tier-Wesen Schaden anrichten? Wäre der Entwickler verantwortlich oder das erschaffene Wesen, die biotechnische Konstruktion?
Der Klimawandel ist derzeit in aller Munde. Doch wie entsteht der Klimawandel? Was hat der Polsprung mit dem Klimawandel zu tun? Warm- und Eiszeiten hat es immer gegeben, die Klimaforschung mit den momentanen Möglichkeiten, wie Erdkernbohrungen und Segmentanalysen, Meereströmemessungen usw. ist aber erst rund 20 Jahre alt. Es handelt sich um eine sehr junge Wissenschaft, die noch wenig ausgereift ist. Das Klimasystem ist ein hochkomplexes System, deren Einflüsse noch lange nicht alle bekannt sind und die bekannten nicht alle verstanden werden. Die Wissenschaftler sind sich nicht einmal einig, ob die derzeitigen Klimaveränderungen uns in eine Warm- oder in eine Eiszeit führen. Eine Erklärung der Wissenschaft für den Klimawandel ist der von Forschern erwartete Polsprung. Daneben gibt es weitere Theorien wie die erhöhte Sonnenaktivität, der Meeresströmeverlauf, Vulkanausbrüche, die runder, weniger elipsenförmig, verlaufende Umlaufbahn der Erde pp..
Das Erdmagnetfeld, das die Erde vor der ungefilterten Sonneneinstrahlung und Weltraumstrahlen schützt, hat laut ESA in den letzten 180 Jahren um 10% abgenommen. Am Südatlantik ist der Rückgang des Magnetfeldes noch stärker, hier sind sogar Anomalien des Gesamtfeldes zu beobachten. Und der magnetische Nordpol wandert seit der Jahrtausendwende immer schneller.
Laut ESA legt der magnetische Norpol inzwischen 65 km pro Jahr zurück. Seit letztem Jahr werden in unseren Breiten, in Mitteleuropa, ungewöhnliche Himmels- und Wetterbeobachtungen gemacht, wie der feuerrote und vielfarbige Sonnenuntergang Silvester 2022. Die Fotocommunities waren gespickt mit Bildern, die die für Deutschland ungewöhnlichen Farben des Sonnenuntergangs zeigten. Auch tagsüber können immer wieder rote Polarlichter in den Wolken beobachtet werden, wie im Titelbild.
3 Nordpole – Welcher wandert und führt zu Klimawandel und Polsprüngen
Wissenschaftler unterscheiden drei verschiedene Nordpole
Der geografische Nordpol befindet sich an der Schnittstelle zwischen Erdachse und Erdoberfläche
Der arktische geomagnetische Nordpol wird durch Berechnungen ermittelt und bewegt sich nur langsam. Im Moment befindet er sich an der Nordwestküste Grönlands. Seine Polbewegung ist die langsame, schwingende Verlagerung der Erdachse innerhalb der Erde. Die Ursache liegt darin, dass die Drehachse der Erde nicht mit der Hauptdrehachse, der konstanten Drehachse, identisch ist und die Erde durch den flüssigen Erdkern Elastizität aufweist. Der Erdkörper reagiert deswegen auf jahreszeitliche und tektonische Verschiebungen auf der Erdoberfläche, wie sie z.B. bei Erdbeben vorkommen.
Am arktischen Magnetpol richten sich die Kompassnadeln aus. Er befindet sich an der Stelle, an dem das Erdmagnetfeld nach unten zeigt. Er ist anfälliger für die Bewegungen des flüssigen Eisenkerns in der Mitte der Erde als der geomagnetische Pol.
In Jahrmillionen soll es mehrfach zu sogenannten Polsprüngen gekommen sein, bei denen der magnetische Nordpol und der magnetische Südpol ihre Positionen tauschten, die zu der Entstehung des Klimawandels der Erdgeschichte beitrugen.
Was ist ein Polsprung und was hat er mit dem Klimawandel zu tun?
Bei einem Polsprung wechseln Nord- und Südpol die Seiten, sodass die Kompassnadel nicht mehr nach Norden, sondern nach Süden zeigt. Laut Wissenschaftlern hat es auf der Erde immer Polsprünge gegeben, im Schnitt kommen sie alle 250.000 Jahre vor. Der letzte echte Polsprung ist aber bereits 780.000 Jahre her, laut Wissenschaftlern also überfällig.
Laut Geowissenschaftlern, die die magnetische Ausrichtung von Gesteinen untersuchten, hat bereits vor 42.000 Jahren eine größere Polwanderung stattgefunden bei der Nord- und Südpol ihre Stellungen tauschten, danach aber wieder in ihre Ausgangstellungen zurückwanderten. Das konnten sie anhand der magnetischen Richtung der Gesteinsablagerungen feststellen.
Hinzu kommt, dass sich der magnetische Nordpol seit dem Jahr 2000 mit einer rasanten Geschwindigkeit von 55 km im Jahr 2000 bis derzeit 65 km pro Jahr Richtung Nordwesten bewegt. Das Magnetfeld hat um 10% abgenommen und die Stelle im Südatlantik, die bereits weiter abgebaut ist, wird immer größer.
Neuere Forschungen ergaben aber, dass das Magnetfeld immer Schwankungen unterlag und deswegen nicht zwangsläufig ein Polsprung bevorsteht.
Das Erdmagnetfeld, das Klima und der Polsprung
Wie entsteht der Klimawandel und was hat er mit dem Erdmagnetfeld und dem Polsprung zu tun?
Das Erdmagnetfeld ist nicht statisch und variiert ständig. Seit 180 Jahren, also etwa zu Beginn der Industrialisierung, nimmt es ab, es hat inzwischen 10% seiner Energie verloren, im Südatlantik weit mehr, dort ist es sogar „löchrig“ und dieser Teil des Magnetfeldes wird immer größer. Es zieht sich inzwischen nahezu von den Küsten Südamerikas bis zu den Küsten Südafrikas.
Magnetfelder entstehen durch den Fluss magnetischer Materialien unter der Oberfläche der Himmelskörper. Im Falle der Erde soll es sich um Eisen und Nickel handeln, das sich zähflüssig um einen festen Metallkern aus den gleichen Metallen bewegt.
Das Magnetfeld der Erde dehnt sich bis in den Weltraum aus als sogenannte Magnetosphäre. Dort werden die eigentlich runden Magnetfelder von den Sonnenwinden verformt, was dazu führt dass die sonnenzugewandte Seite des Magnetfeldes zusammengedrückt wird, während sich die sonnenabgewendete Seite verlängert. An den magnetischen Polen konzentrieren sich die geladenen Teilchen aus den Sonnenwinden abwärts zu den Polen hin.
Die Magnetosphäre, der Schutzschild des Lebens
Die Magnetosphäre schützt das Leben auf der Erde, geladene Teilchen aus den Sonnen- und Weltraumwinden prallen an ihm ab. Ohne diesen Schutzschild gäbe es kein Leben auf der Erde.
Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Form im Innern der Erde mit einem Stabmagneten vergleichbar ist, der sich um den Erdkern befindet und um etwa 11° Grad gegen die Rotationsachse der Erde geneigt ist. Das Magnetfeld der Erde ist vergleichbar mit dem Feld eines Stabmagneten, der in Eisenspäne gelegt wird.
Im Erdmittelpunkt, etwa 6400 km im Erdinneren herrschen ca. 6300° Celsius und ein Druck von 3,5 Millionen bar. Das Innere des Erdkernes besteht aus einem festen Eisen- und Nickelkern. Um den festen Metallkern befinden sich zähflüssiges Eisen und Nickel. In dieser elektrisch leitenden Flüssigkeit sollen sich wie bei einem Dynamo Bewegungen verstärken und Magnetfelder ausbilden können. Die Theorie des Geo-Dynamos ist wissenschaftlich umstritten.
Wissenschaftler der Uni Münster um Kupenco et al. fanden heraus, dass das Eisenoxid im Erdmantel 35-2900 km tief um den Erdkern ebenfalls magnetisch ist und zwar auch in relativ kalten Gesteinsplatten im Westpazifik. Die Forschungen könnten relevant für das Erdmagnetfeld sein, aber auch das Magnetfeld des Mars erklären, der keinen Geo-Dynamo im Inneren besitzt. Sie fanden heraus, dass das Eisenoxid seine magnetischen Fähigkeiten bis zu 925°Celsius behält.
Da sich das Magnetfeld an Nord- und Südpol staucht, treten die geladenen Teilchen der Sonnenwinde dort in die Atmosphäre ein. Bei Sonnenstürmen kommt es zum vermehrten Eintritt von Elektronen in die Atmosphäre, diese verbinden sich mit dem Sauerstoff und es entstehen grüne Polarlichter. Sie entstehen in 80-100 km Höhe, da die Luft dort sehr sauerstoffreich ist. Die roten Polarlichter, die auf den Fotos in Rheinland-Pfalz und Hessen zu sehen sind, enstehen auf 150-600 km Höhe, da die Luft dort sehr stickstoffreich ist und sich das Elektron hier deswegen nicht an Sauertsoff, sondern an Stickstoff bindet. Das führt zu roten und blauen Polarlichtern.
Die Ursachen des irdischen Magnetfeldes sind der geomagnetische zähflüssige Erdkern, der mit 90% die Hauptursache ist, magnetisierte Gesteine in der Erdkruste, nah unter der Oberfläche bilden das Lithosphärenfeld (35 km-2900 km Richtung Erdinneres), auch Krustenfeld genannt, das ebenfalls zum Magnetfeld beiträgt. Diese beiden Magnetfelder befinden sich im Erdinnern, die externen Anteile des Erdmagnetfelds werden in der Atmosphäre, der geladenen Ionosphäre, und in der Magnetosphäre, die bis in den Weltraum ragt, gebildet.
Auswirkungen eines Polsprungs auf Erde und Klima
Durch die Abnahme des Gesamt-Magnetfeldes, das sich weiter ausbreitende abnehmende Magnetfeld im Südpazifik und die sich weiter beschleunigende Wanderung des magnetischen Nordpols, gehen die Wissenschaftler davon aus, dass in absehbarer Zeit ein Polsprung bevorsteht, der mit einem kurzfristigen Verschwinden oder einer starken Abnahme des Erdmagnetfeldes einhergehen soll. Die geladenen Teilchen der Sonnen- und Weltraumwinde könnten dann ungeschützt die Erde erreichen. Tiere, die sich am Erdmagnetfeld ausrichten, wie z.B. Zugvögel könnten die Orientierung verlieren, Sonnenwinde und -stürme Leben verbrennen und die Elektrizität lahm legen.
Wie entsteht der Klimawandel
Eine kleine Geschichte der Erdmagnetfeldmessungen
Bereits im Jahr 300 n. Chr. nutzten chinesische Seefahrer einen Vorläufer des Kompasses, 1000 n. Chr. entwickelten sie schließlich den Kompass. In Europa gab es erst ab 1200 n. Chr. Aufzeichnungen zu der Verwendung eines Kompasses.
William Gilbert, Leibarzt von Königin Elisabeth der I., veröffentlichte um 1600 seine Studien zum Magnetismus. Seine Erklärung für den Kompass war bereits, dass die Erde ein riesiger Magnet sei. 1698 erstellte Edmund Halley die erste Magnetfeldkarte auf seiner Forschungsreise.
1724 entdeckten George Graham (England) und Anders Celsius (Schweden) gleichzeitig die Sonnenstürme.
1820 entdeckte der Däne Hans Christian Oersted den Elektromagnetismus. 1831 fand James Clark Ross den magnetischen Nordpol zwischen den kanadischen Inseln Nunavut. 1864 bewies James Clerk Maxwell den Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Feldern.
1962 wies die Raumsonde Explorer 2 die Grenze zwischen der irdischen Magnetosphäre und dem Sonnenwind nach.
Mitte des 20. Jahrhunderts bewegte sich der magnetische Nordpol noch mit knapp 11 km pro Jahr vorwärts Richtung Kanada, seit den 90er Jahren wurde er schneller, im Jahr 2000 legte er bereits 55 km pro Jahr zurück, derzeit ist er bei 65 km pro Jahr angelangt.
Gemessen wird die Wanderung des Nordpols mit Hilfe der geomagnetischen Observatorien und der ESA-Satelliten-Mission-SWARM, die mehrmals täglich 3 Satelliten um die Erde kreisen lässt. Während sich der magnetische Nordpol zu Beginn der Messungen Richtung Norden (Kanada) bewegte, bewegt er sich zur Zeit in Richtung Sibirien.
Auswirkungen des Polsprungs vor 42.000 Jahren
Wie entsteht der Klimawandel, wie war es früher?
Alan Cooper und Chris Turney et al. veröffentlichten 2021 eine Studie zu den Auswirkungen des Polsprungs vor 42.000 Jahren auf Science. Als vor 41.000-42.000 Jahren Nord- und Südpol ihre Stellungen tauschten, hatte dies dramatische Auswirkungen auf das Klima und das Leben auf der Erde.
Anhand der magnetischen Ausrichtung der Metalle in Gesteinsproben konnte erfasst werden, wo sich der magnetische Nordpol zur Zeit der Gesteinsbildung befand.
Bei einem Polsprung soll kurzfristig das Erdmagnetfeld auf 0-6% zurückgehen, sodass Sonnen- und Weltraumwinde fast ungehindert auf die Erde gelangen, das hat laut Cooper und Turney zu gewaltigen Klima- und Umwelteinbrüchen in der Vergangenheit geführt. 800 Jahre bestand das Erdmagnetfeld nur noch aus 28% des heutigen Magnetfeldes und führte auf dem gesamten Globus zu elektrischen Blitzen und Polarlichtern. Direkt vor dem Polsprung war die Abnahme des Magnetfeldes am dramatischsten, nur noch 0-6% soll sie damals betragen haben. Tiere und Landschaften starben aus, sodass die australische und andere Wüsten aus dieser Zeit hervorgegangen sein sollen. Auch das Aussterben der Neandertaler könnte auf den Polsprung zurückzuführen sein.
Diskussion
Wie entsteht der Klimawandel?
Für den Klimawandel gibt es viele wissenschaftliche Erklärungen, eine davon ist die Abnahme des Erdmagnetfeldes und das Wandern des magnetischen Nordpols mit steigendem Tempo. Hinzu kommt eine stärkere Sonnenaktivität mit vermehrten Sonnenstürmen. Viele Wissenschaftler vertreten die These, dass sich der Nordpol auf dem Weg zu einem Polsprung befindet. Die Annahmen der Wissenschaftler reichen hier von „der Polsprung steht direkt bevor“, über „in 10-15 Jahren“, „in mehreren Hundert Jahren“ bis hin zu „das kann noch 1000 Jahre dauern“. Seit Beginn der Industrialisierung nimmt das Erdmagnetfeld ab, sodass Sonnenwinde und Sonnenstürme ungefilterter auf die Erde treffen können als vor der Industrialisierung. Seit letztem Jahr können wir auch in Mitteleuropa Polarlichter beobachten, die sonst nur in Nordeuropa zu sehen waren.
Obwohl die Theorie des Klimawandels durch die Abnahme des Erdmagnetfeldes, die Wanderung der Pole und die erhöhte Sonnenaktivität sehr plausibel erscheint, insbesondere weil es Warm- und Eiszeiten auch bereits vor dem Menschen gab, präferiert die Politik die Theorie der Industrialisierung und das mit ihr vermehrt enstehende CO2 als Ursache für die Erderwärmung. Welches Interesse hat die Politik, plausible Erklärungen auszuschließen und die CO2-Theorie in den Mittelpunkt zu stellen? Ist es sinnvoll, das gesamte Leben auf elektrischen Strom umzustellen, um das CO2 zu reduzieren, wenn ein Polsprung bevor steht, der vorausichtlich unsere gesamte Elektrizität zum Erliegen bringen würde? Wie könnte ein vernünftiger Schutz der Menschen vor der Erderwärmung aussehen und vor dem möglicherweise bevorstehenden Polsprung und weiteren Sonnenstürmen? Wie entsteht der Klimawandel, was hat der Klimawandel heute mit dem Klimawandel der Vergangenheit zu tun?
