3 motivi per cui gli organoidi cerebrali sono così importanti

Gli organoidi rappresentano attualmente uno dei settori scientifici in più rapida evoluzione. La loro evoluzione si sta sviluppando in modi diversi, ma ugualmente affascinanti. In questo articolo esamineremo tre principali direzioni emergenti che promettono di aumentarne notevolmente le potenzialità, di competere con l'intelligenza artificiale e potenzialmente di svelare i segreti per la prevenzione delle malattie neurodegenerative.

Cosa sono gli organoidi?

Gli organoidi (o assembloidi) sono gruppi funzionanti di neuroni coltivati ​​in vitro, solitamente a partire da cellule staminali cutanee. Queste formazioni cerebrali viventi relativamente complesse, che possono essere animali o umane, vengono utilizzate per studiare la meccanica neurale in laboratorio, al di fuori di un cervello reale.

Con disprezzo dei neuroscienziati, i media li chiamano spesso "mini-cervelli" o "cervelli in provetta", il che non è accurato, poiché sono solitamente estremamente piccoli e la loro complessità è molto più semplice di quella del cervello umano.

Detto questo, e come vedremo qui, sono in fase di sviluppo diversi metodi per aumentarne considerevolmente le dimensioni e la complessità funzionale.

1. Sintesi del cervello umano-animale

Per la prima volta nella storia, gli animali potrebbero acquisire alcuni aspetti dell'intelligenza umana attraverso trapianti cerebrali integrativi.

Il valore scientifico degli organoidi è piuttosto limitato dalle dimensioni e dalla complessità che possono raggiungere. Per superare questo problema, un nuovo approccio pubblicato su Natureha trapiantato organoidi di corteccia umana in cervelli di ratto viventi (mostrati nell'immagine sopra).

Sei mesi dopo l'integrazione, i neuroni umani hanno raggiunto un nuovo livello di maturazione, crescendo 6 volte di più rispetto a quanto fosse possibile in vitro. La loro attività ha emulato meglio alcuni dei comportamenti più sofisticati osservati nel cervello umano.

In un esperimento successivo, i ricercatori hanno attivato specificamente i neuroni umani geneticamente modificati utilizzando l'optogenetica e sono riusciti a influenzare con successo la frequenza con cui i ratti cercavano una ricompensa. In altre parole, hanno controllato le cellule cerebrali umane all'interno del cervello di un ratto per controllarne i comportamenti.

Questo approccio apre la possibilità di sviluppare complessi sistemi cerebrali umani a partire da cellule staminali con risorse tecnologiche limitate. Sebbene affascinante, questo nuovo ambito della ricerca biologica, e persino la biologia stessa, può essere irto di complicazioni etiche, tra cui anche la classificazione di un organismo ibrido di questo tipo.

Studio: Maturazione e integrazione del circuito di organoidi corticali umani trapiantati, Omer Revah et al.Stu

2. Sensibilità sintetica-biologica

Questo video è molto più di quanto sembri a prima vista: si tratta infatti della prima ibridazione riuscita tra neuroni biologici e chip di silicio che imparano a giocare a un gioco simulato.

Rispetto alla sintesi di organoidi in diversi cervelli biologici, questa ricerca intraprende una direzione totalmente nuova, ma altrettanto sbalorditiva, sintetizzando direttamente un mix di organoidi umani/roditori tramite computer. Denominata "intelligenza biologica sintetica" (SBI), l'obiettivo è quello di fondere sinergicamente queste forme di intelligenza un tempo divergenti.

In particolare, i ricercatori hanno cercato di sfruttare la potenza della complessità di terzo ordine presente negli organoidi, mai raggiunta con l'informatica tradizionale. Inoltre, hanno cercato di raggiungere la definizione formale di sensibilità nelle culture neurali, dimostrando efficacemente l'apprendimento tramite feedback sensoriale.

In questo studio, gli organoidi in vitro sono stati integrati con un calcolo "in silico" tramite un array multielettrodico ad alta densità. Utilizzando un feedback strutturato a circuito chiuso tramite stimolazione elettrofisiologica, l'esperimento denominato "BrainDish" è stato inserito in una simulazione dell'iconico videogioco Pong.

La capacità dei neuroni in aggregazione di rispondere in modo adattivo agli stimoli esterni è alla base di ogni apprendimento animale. Sebbene questo esperimento iniziale sia una simulazione molto elementare, ha dimostrato un comportamento intelligente e senziente in un mondo di gioco simulato attraverso un comportamento orientato a un obiettivo.

Questo approccio offre una nuova promettente strada di ricerca per supportare o mettere in discussione le teorie che spiegano come il cervello interagisce con il mondo e per studiare l'intelligenza in generale. Potrebbe anche rappresentare una panacea per superare le principali sfide che l'evoluzione dell'intelligenza artificiale deve affrontare oltre i livelli umani, poiché i neuroni possiedono diverse caratteristiche di apprendimento che non sono ancora state emulate nei computer.

Studio: i neuroni in vitro apprendono e mostrano sensibilità quando sono incarnati in un mondo di gioco simulato, Brett J. Kagan et al.

3. OI - Una nuova strada per lo sviluppo dell'intelligenza

I nostri primi due esempi portano gli organoidi su percorsi evolutivi diversi da quelli originariamente previsti dai neuroscienziati. Tuttavia, anche il dominio tradizionale della scienza degli organoidi è ancora agli albori, e la situazione è destinata a cambiare rapidamente.

Esistono molti metodi promettenti che ne aumentano la scala, la complessità e la specializzazione funzionale, pur mantenendone l'accessibilità pratica in laboratorio. Pertanto, gli organoidi cerebrali rappresentano attualmente uno dei campi di ricerca più interessanti nel campo del bioinformatica.

Sebbene passi inosservata rispetto agli approcci tradizionali dell'intelligenza artificiale, l'"intelligenza organoide" (OI) sta emergendo come potenziale contendente per la via più rapida verso il Santo Graal dell'intelligenza artificiale generale (AGI).

Un consorzio di oltre 20 leader scientifici del settore ha recentemente pubblicato un articolo completo e fondamentale per promuovere la scienza degli organoidi.

Ecco le 6 affermazioni chiave da loro sostenute.

1. Il calcolo biologico (o biocomputing) potrebbe essere più veloce, più efficiente e più potente del calcolo basato sul silicio e dell'intelligenza artificiale, e richiedere solo una frazione dell'energia.

2. L'"intelligenza organoide" (OI) descrive un campo multidisciplinare emergente che lavora per sviluppare l'informatica biologica utilizzando colture 3D di cellule cerebrali umane (organoidi cerebrali) e tecnologie di interfaccia cervello-macchina.

3. L'OI richiede di trasformare gli attuali organoidi cerebrali in strutture 3D complesse e durevoli, arricchite con cellule e geni associati all'apprendimento, e di collegarle a dispositivi di input e output di nuova generazione e a sistemi di intelligenza artificiale/apprendimento automatico.

4. L'OI richiede nuovi modelli, algoritmi e tecnologie di interfaccia per comunicare con gli organoidi cerebrali, comprendere come apprendono e calcolano, nonché elaborare e archiviare le enormi quantità di dati che genereranno.

5. La ricerca sull'OI potrebbe anche migliorare la nostra comprensione dello sviluppo del cervello, dell'apprendimento e della memoria, contribuendo potenzialmente a trovare cure per disturbi neurologici come la demenza.

6. Per garantire che l'OI si sviluppi in modo eticamente e socialmente responsabile è necessario un approccio di "etica integrata" in cui team interdisciplinari e rappresentativi di eticisti, ricercatori e membri del pubblico identificano, discutono e analizzano le questioni etiche e le restituiscono per informare la ricerca e il lavoro futuri.

In poche parole, questi ricercatori sperano di utilizzare campioni di tessuto umano per far crescere e manipolare raccolte sempre più potenti di cellule cerebrali che potrebbero utilizzare al posto dei normali chip di silicio per computer.

Questi gruppi di cellule saranno molto più grandi e cresceranno in tre dimensioni, il che consentirà ai neuroni al loro interno di creare molte più connessioni.

È una tecnologia che richiede numerose discipline scientifiche per decollare. Mentre alcuni ricercatori stanno lavorando alla crescita di organoidi fino a raggiungere le dimensioni di 10 milioni di cellule, che gli scienziati stimano siano necessarie per iniziare a funzionare anche solo in prossimità di un cervello umano, altri stanno sviluppando una tecnologia che ci permetterebbe di comunicare con un gruppo di cellule e di far sì che questo gruppo comunichi a sua volta.

Un passo fondamentale in questa comunicazione bidirezionale è stato compiuto di recente attraverso lo sviluppo di una sorta di cuffia EEG per organoidi, che utilizza un guscio flessibile densamente ricoperto di minuscoli elettrodi in grado sia di captare i segnali dall'organoide, sia di trasmetterli ad esso.

Ma costruire un computer molto potente non è l'unico obiettivo di questi ricercatori. Sperano anche di utilizzare questi computer OI per analizzare le condizioni neurologiche e aiutare i pazienti.

Thomas Hartung, ricercatore leader nel campo degli organoidi, ha riassunto: "Ad esempio, potremmo confrontare la formazione della memoria negli organoidi derivati ​​da persone sane e da pazienti affetti da Alzheimer e cercare di riparare i relativi deficit. Potremmo anche utilizzare l'OI per verificare se determinate sostanze, come i pesticidi, causino problemi di memoria o di apprendimento"

Potrebbero alleviare le sofferenze e le malattie umane attraverso i trattamenti che contribuiscono a sviluppare e potrebbero risparmiare la vita di migliaia di animali attualmente sacrificati per la ricerca sull'uomo.

Studio: Intelligenza organoide (OI): la nuova frontiera del biocomputing e dell'intelligenza in vitro, L Smirnova, et. al.

E l'etica degli organoidi?

Nell'aprile 2021, le Accademie nazionali di scienze, ingegneria e medicina degli Stati Uniti hanno pubblicato un rapporto in cui si afferma che, sebbene i mini cervelli siano attualmente irrilevanti in termini di dimensioni, complessità e maturità, con il loro aumento nessuno può garantire che non sviluppino una sorta di consapevolezza di tipo umano.

Se così fosse, la crescente sofisticazione degli organoidi potrebbe trasformarsi in un problema etico, ostacolandone l'ulteriore sviluppo. Tuttavia, ciò segnerebbe anche il primo vero incontro con una coscienza non umana ma simile a quella umana, il che rappresenterebbe di per sé una pietra miliare.

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