3 motivi per cui gli organoidi cerebrali sono un grosso problema

Gli organoidi sono attualmente uno dei settori scientifici in più rapida evoluzione. Inoltre si stanno evolvendo in molti modi diversi, ma ugualmente affascinanti. Qui tratteremo 3 principali strade emergenti che promettono di aumentare notevolmente il loro potere, competere con l’intelligenza artificiale e potenzialmente svelare segreti per prevenire le malattie neurodegenerative.

Cosa sono gli organoidi?

Gli organoidi (o assembloidi ) sono gruppi funzionanti di neuroni cresciuti in vitro, solitamente da cellule staminali della pelle. Queste formazioni cerebrali viventi relativamente complesse, che possono essere animali o umani, 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 un piatto", il che non è accurato, poiché in genere sono estremamente piccoli e la loro complessità è di gran lunga più semplice di quella del cervello umano.

Detto questo, e come vedremo qui, ci sono diversi metodi in fase di sviluppo 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 integrativi di cervello.

Il valore della ricerca sugli organoidi è piuttosto limitato dalle dimensioni e dalla complessità in cui possono crescere. Per superare questo problema, un nuovo approccio pubblicato su Nature ha trapiantato organoidi della corteccia umana nel cervello di ratti viventi (mostrato nella foto sopra).

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

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

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

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

2. Sensibilità sintetico-biologica

Questo video è più di quanto sembri: in realtà è la prima ibridazione riuscita di 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 va in una direzione totalmente nuova, ma altrettanto sbalorditiva, sintetizzando direttamente un mix di organoidi umani/roditori con i computer. L'obiettivo, soprannominato "intelligenza biologica sintetica" (SBI), è quello di unire sinergicamente queste forme di intelligenza un tempo divergenti.

In particolare, i ricercatori hanno cercato di sfruttare la potenza della complessità del terzo ordine riscontrata negli organoidi, cosa che non è mai stata ottenibile con l'informatica tradizionale. E inoltre, per 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 il calcolo "in silico" tramite una matrice multielettrodica ad alta densità. Utilizzando un feedback strutturato a circuito chiuso attraverso la stimolazione elettrofisiologica, l'esperimento denominato "BrainDish" è stato incorporato in una simulazione dell'iconico gioco per computer Pong.

La capacità dei neuroni riuniti in gruppi di rispondere in modo adattivo agli stimoli esterni è la base di tutto l'apprendimento degli animali. Sebbene questo esperimento iniziale sia una simulazione molto semplice, ha dimostrato un comportamento intelligente e senziente in un mondo di gioco simulato attraverso un comportamento diretto a uno scopo.

Questo approccio fornisce una nuova e promettente strada di ricerca per supportare o sfidare le teorie che spiegano come il cervello interagisce con il mondo e per studiare l’intelligenza in generale. Potrebbe anche essere una panacea per superare le sfide chiave che l’evoluzione dell’intelligenza artificiale deve affrontare oltre i livelli umani, poiché i neuroni hanno varie caratteristiche di apprendimento che non siamo ancora stati emulati nei computer.

Studio: I neuroni in vitro apprendono e mostrano la sensibilità quando incorporati 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 rispetto a quanto originariamente previsto dai neuroscienziati. Tuttavia, anche il campo tradizionale della scienza degli organoidi è ancora agli inizi, e la situazione è destinata a cambiare rapidamente.

Stanno emergendo molti metodi promettenti per aumentarne la scala, la complessità e la specializzazione funzionale, pur mantenendo il loro accesso pratico all’interno di una piastra da laboratorio. Pertanto, gli organoidi cerebrali rappresentano attualmente uno dei settori di ricerca più interessanti nel campo del bioinformatica.

Pur volando sotto il radar degli approcci tradizionali dell'intelligenza artificiale, l'"intelligenza organoide" (OI) sta emergendo come un potenziale contendente per il percorso più veloce verso il Santo Graal dell'intelligenza generale artificiale (AGI).

Un consorzio di oltre 20 leader scientifici nel settore ha recentemente pubblicato un documento fondamentale e completo sul progresso della scienza degli organoidi.

Ecco le 6 affermazioni chiave che postulano.

1. L’informatica biologica (o bioinformatica) potrebbe essere più veloce, più efficiente e più potente dell’informatica basata sul silicio e dell’intelligenza artificiale, e richiederebbe 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 l’ampliamento degli attuali organoidi cerebrali in strutture 3D complesse e durevoli, arricchite con cellule e geni associati all’apprendimento, e la loro connessione a dispositivi di input e output di prossima 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, aiutando potenzialmente a trovare trattamenti per disturbi neurologici come la demenza.

6. Garantire che l'OI si sviluppi in modo eticamente e socialmente reattivo richiede un approccio di "etica incorporata" in cui team interdisciplinari e rappresentativi di esperti di etica, ricercatori e membri del pubblico identificano, discutono e analizzano le questioni etiche e le alimentano per informare la ricerca futura e lavoro.

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

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

È una tecnologia che richiede molte discipline scientifiche per decollare. Mentre alcuni ricercatori stanno lavorando sulla crescita degli organoidi fino alla dimensione di 10 milioni di cellule, che gli scienziati stimano sia necessaria per iniziare a funzionare ovunque vicino a un cervello umano, altri stanno sviluppando una tecnologia che ci permetterebbe di comunicare con un gruppo di cellule e chiedi a quel grumo di comunicare.

Un passo fondamentale in questa comunicazione bidirezionale è stato compiuto di recente attraverso lo sviluppo di una sorta di cuffia EEG per organoidi, utilizzando un guscio flessibile densamente ricoperto di minuscoli elettrodi che possono sia captare segnali dall’organoide sia trasmettergli segnali.

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

Il principale ricercatore sugli organoidi Thomas Hartung ha riassunto: “Ad esempio, potremmo confrontare la formazione della memoria negli organoidi derivati ​​da persone sane e da pazienti affetti da Alzheimer, e provare a riparare i relativi deficit. Potremmo anche utilizzare l’OI per verificare se determinate sostanze, come i pesticidi, causano problemi di memoria o di apprendimento”.

Potrebbero alleviare la sofferenza e le malattie umane attraverso i trattamenti che aiutano a sviluppare e potrebbero risparmiare la vita di migliaia di animali attualmente sacrificati per la ricerca umana.

Studio: Intelligenza organoide (OI): la nuova frontiera nel biocomputing e nell'intelligenza in un piatto , L Smirnova, et. al.

Che ne dici dell’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 inconsistenti in termini di dimensioni, complessità e maturità, man mano che aumentano, nessuno può garantire che non svilupperanno una sorta di della consapevolezza di tipo umano.

Se così fosse, allora la crescente sofisticazione degli organoidi potrebbe diventare un vaso di fiori etico, ostacolandone l’ulteriore sviluppo. Tuttavia questo segnerebbe anche il primo vero incontro di una coscienza non umana ma simile a quella umana , che costituirebbe di per sé una pietra miliare.

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