3 λόγοι για τους οποίους τα οργανοειδή του εγκεφάλου είναι τόσο σημαντικά

Τα οργανοειδή αποτελούν σήμερα έναν από τους ταχύτερα εξελισσόμενους τομείς της επιστήμης. Επίσης, εξελίσσονται με πολλούς διαφορετικούς, αλλά εξίσου συναρπαστικούς τρόπους. Εδώ θα καλύψουμε 3 κύριες αναδυόμενες οδούς που υπόσχονται να αυξήσουν σημαντικά την ισχύ τους, να ανταγωνιστούν τη μηχανική νοημοσύνη και ενδεχομένως να αποκαλύψουν μυστικά για την πρόληψη νευροεκφυλιστικών ασθενειών.

Τι είναι τα Οργανοειδή;

Τα οργανοειδή (ή ασεμβλοειδή) είναι λειτουργικές συστάδες νευρώνων που αναπτύσσονται in vitro, συνήθως από βλαστοκύτταρα δέρματος. Αυτοί οι σχετικά πολύπλοκοι ζωντανοί εγκεφαλικοί σχηματισμοί, οι οποίοι μπορεί να είναι ζωικοί ή ανθρώπινοι, χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της νευρωνικής μηχανικής στο εργαστήριο, εκτός ενός πραγματικού εγκεφάλου.

Προς περιφρόνηση των νευροεπιστημόνων, συχνά αναφέρονται στα μέσα ενημέρωσης ως «μίνι-εγκέφαλοι» ή «εγκέφαλοι σε πιάτο», κάτι που δεν είναι ακριβές, καθώς συνήθως είναι εξαιρετικά μικροί και η πολυπλοκότητά τους είναι πολύ απλούστερη από τον ανθρώπινο εγκέφαλο.

Τούτου λεχθέντος, και όπως θα καλύψουμε εδώ, υπάρχουν διαφορετικές μέθοδοι που αναπτύσσονται για να αυξήσουν σημαντικά το μέγεθος και τη λειτουργική τους πολυπλοκότητα.

1. Σύνθεση εγκεφάλου ανθρώπου-ζώου

Για πρώτη φορά στην ιστορία, τα ζώα ενδέχεται να αποκτούν ορισμένες πτυχές της ανθρώπινης νοημοσύνης μέσω ολοκληρωμένων μεταμοσχεύσεων εγκεφάλου.

Η ερευνητική αξία των οργανοειδών είναι αρκετά περιορισμένη από το μέγεθος και την πολυπλοκότητα στην οποία μπορούν να αναπτυχθούν. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, μια νέα προσέγγιση που δημοσιεύτηκε στο Nature, έχει μεταμοσχεύσει οργανοειδή ανθρώπινου φλοιού σε εγκεφάλους ζωντανών αρουραίων (φαίνεται στην παραπάνω εικόνα).

6 μήνες μετά την ενσωμάτωση, οι ανθρώπινοι νευρώνες έφτασαν σε μια νέα τάξη ωρίμανσης, αναπτύσσοντας 6 φορές το μέγεθος που ήταν δυνατό in vitro. Η δραστηριότητά τους μιμούνταν καλύτερα ορισμένες από τις πιο εξελιγμένες συμπεριφορές που παρατηρήθηκαν στους ανθρώπινους εγκεφάλους.

Σε ένα επόμενο πείραμα, οι ερευνητές ενεργοποίησαν ειδικά τους γενετικά τροποποιημένους ανθρώπινους νευρώνες χρησιμοποιώντας οπτογενετική και κατάφεραν να επηρεάσουν με επιτυχία τη συχνότητα με την οποία οι αρουραίοι αναζητούσαν μια ανταμοιβή. Δηλαδή, ελέγχοντας τα ανθρώπινα εγκεφαλικά κύτταρα μέσα στον εγκέφαλο ενός αρουραίου, για να ελέγξουν τη συμπεριφορά του αρουραίου.

Αυτή η προσέγγιση ανοίγει τη δυνατότητα ανάπτυξης σύνθετων συστημάτων ανθρώπινου εγκεφάλου από βλαστοκύτταρα με περιορισμένους τεχνολογικούς πόρους. Αν και συναρπαστικό, αυτός ο νέος τομέας βιολογικής έρευνας, ακόμη και η ίδια η βιολογία, μπορεί να είναι γεμάτος ηθικές επιπλοκές, συμπεριλαμβανομένου ακόμη και του τρόπου ταξινόμησης ενός τέτοιου υβριδικού οργανισμού.

Μελέτη: Ωρίμανση και ενσωμάτωση κυκλωμάτων μεταμοσχευμένων ανθρώπινων φλοιωδών οργανοειδών, Omer Revah et al. Stu

2. Συνθετική-Βιολογική Αισθητικότητα

Αυτό το βίντεο είναι κάτι περισσότερο από ό,τι φαίνεται με την πρώτη ματιά - είναι στην πραγματικότητα ο πρώτος επιτυχημένος υβριδισμός βιολογικών νευρώνων και τσιπ πυριτίου που μαθαίνουν να παίζουν ένα προσομοιωμένο παιχνίδι.

Σε σύγκριση με τη σύνθεση οργανοειδών σε διαφορετικούς βιολογικούς εγκεφάλους, αυτή η έρευνα ακολουθεί μια εντελώς νέα, αλλά εξίσου εκπληκτική κατεύθυνση, συνθέτοντας απευθείας ένα μείγμα οργανοειδών ανθρώπων/τρωκτικών με υπολογιστές. Με την ονομασία «συνθετική βιολογική νοημοσύνη» (SBI), ο στόχος είναι η συνέργεια αυτών των κάποτε διαφορετικών μορφών νοημοσύνης.

Συγκεκριμένα, οι ερευνητές επεδίωξαν να αξιοποιήσουν τη δύναμη της πολυπλοκότητας τρίτης τάξης που συναντάται στα οργανοειδή, κάτι που δεν ήταν ποτέ εφικτό στην παραδοσιακή πληροφορική. Επιπλέον, επιδίωξαν να επιτύχουν τον επίσημο ορισμό της συνείδησης σε νευρωνικές καλλιέργειες, επιδεικνύοντας αποτελεσματικά την αισθητηριακή ανατροφοδότηση της μάθησης.

Σε αυτήν τη μελέτη, τα οργανοειδή in vitro ενσωματώθηκαν με υπολογισμούς «in silico» μέσω μιας συστοιχίας πολλαπλών ηλεκτροδίων υψηλής πυκνότητας. Χρησιμοποιώντας δομημένη ανατροφοδότηση κλειστού βρόχου μέσω ηλεκτροφυσιολογικής διέγερσης, το πείραμα με την ονομασία «BrainDish» ενσωματώθηκε σε μια προσομοίωση του εμβληματικού παιχνιδιού υπολογιστή Pong.

Η ικανότητα των νευρώνων σε συγκροτήματα να αντιδρούν προσαρμοστικά σε εξωτερικά ερεθίσματα αποτελεί τη βάση για τη μάθηση σε όλα τα ζώα. Αν και αυτό το αρχικό πείραμα είναι μια πολύ βασική προσομοίωση, έχει επιδείξει έξυπνη και αισθαντική συμπεριφορά σε έναν προσομοιωμένο κόσμο παιχνιδιού μέσω συμπεριφοράς που κατευθύνεται από στόχους.

Αυτή η προσέγγιση παρέχει μια πολλά υποσχόμενη νέα ερευνητική οδό για την υποστήριξη ή την αμφισβήτηση θεωριών που εξηγούν τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος αλληλεπιδρά με τον κόσμο, καθώς και για τη μελέτη της νοημοσύνης γενικότερα. Μπορεί επίσης να αποτελέσει πανάκεια για την υπερνίκηση των βασικών προκλήσεων που αντιμετωπίζει η εξέλιξη της μηχανικής νοημοσύνης πέρα ​​από τα ανθρώπινα επίπεδα, καθώς οι νευρώνες έχουν διάφορα μαθησιακά χαρακτηριστικά που δεν έχουμε ακόμη μιμηθεί σε υπολογιστές.

Μελέτη: Οι νευρώνες in vitro μαθαίνουν και επιδεικνύουν συνείδηση ​​όταν ενσωματώνονται σε έναν προσομοιωμένο κόσμο παιχνιδιών, Brett J. Kagan et al.

3. OI - Μια Νέα Λεωφόρος για την Ανάπτυξη της Νοημοσύνης

Τα δύο πρώτα παραδείγματά μας οδηγούν τα οργανοειδή σε διαφορετικές εξελικτικές πορείες από αυτές που αρχικά είχαν προβλέψει οι νευροεπιστήμονες. Ωστόσο, ακόμη και ο παραδοσιακός τομέας της επιστήμης των οργανοειδών βρίσκεται ακόμη σε αρχικό στάδιο και αυτό πρόκειται να αλλάξει γρήγορα.

Υπάρχουν πολλές πολλά υποσχόμενες μέθοδοι που αναδύονται για την αύξηση της κλίμακας, της πολυπλοκότητας και της λειτουργικής εξειδίκευσής τους, διατηρώντας παράλληλα την πρακτική τους πρόσβαση σε ένα εργαστηριακό τρυβλίο. Ως εκ τούτου, τα οργανοειδή του εγκεφάλου αποτελούν σήμερα έναν από τους πιο συναρπαστικούς τομείς έρευνας στη βιοπληροφορική.

Αν και δεν λαμβάνεται υπόψη στις παραδοσιακές προσεγγίσεις της μηχανικής νοημοσύνης, η «Οργανοειδής νοημοσύνη» (ΟΝ) αναδεικνύεται ως πιθανός υποψήφιος για την ταχύτερη οδό προς το ιερό δισκοπότηρο της τεχνητής γενικής νοημοσύνης (ΑΓΝ).

Μια κοινοπραξία 20+ επιστημονικών ηγετών στον χώρο δημοσίευσε πρόσφατα μια ολοκληρωμένη, πρωτοποριακή εργασία σχετικά με την προώθηση της επιστήμης των οργανοειδών.

Ακολουθούν 6 βασικοί ισχυρισμοί που διατυπώνουν.

1. Η βιολογική υπολογιστική (ή βιοϋπολογιστική) θα μπορούσε να είναι ταχύτερη, πιο αποτελεσματική και πιο ισχυρή από την υπολογιστική που βασίζεται στο πυρίτιο και την τεχνητή νοημοσύνη, και να απαιτεί μόνο ένα κλάσμα της ενέργειας.

2. Η «οργανοειδής νοημοσύνη» (ΟΝ) περιγράφει έναν αναδυόμενο διεπιστημονικό τομέα που εργάζεται για την ανάπτυξη βιολογικών υπολογιστών χρησιμοποιώντας τρισδιάστατες καλλιέργειες ανθρώπινων εγκεφαλικών κυττάρων (οργανοειδή εγκεφάλου) και τεχνολογίες διεπαφής εγκεφάλου-μηχανής.

3. Η ΟΙ απαιτεί την κλιμάκωση των υπαρχόντων οργανοειδών του εγκεφάλου σε σύνθετες, ανθεκτικές τρισδιάστατες δομές εμπλουτισμένες με κύτταρα και γονίδια που σχετίζονται με τη μάθηση, και τη σύνδεσή τους με συσκευές εισόδου και εξόδου επόμενης γενιάς και συστήματα τεχνητής νοημοσύνης/μηχανικής μάθησης.

4. Η OI απαιτεί νέα μοντέλα, αλγόριθμους και τεχνολογίες διεπαφής για την επικοινωνία με τα οργανοειδή του εγκεφάλου, την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο μαθαίνουν και υπολογίζουν, καθώς και την επεξεργασία και αποθήκευση των τεράστιων ποσοτήτων δεδομένων που θα δημιουργήσουν.

5. Η έρευνα για την οστεογένεση θα μπορούσε επίσης να βελτιώσει την κατανόησή μας για την ανάπτυξη του εγκεφάλου, τη μάθηση και τη μνήμη, συμβάλλοντας ενδεχομένως στην εύρεση θεραπειών για νευρολογικές διαταραχές όπως η άνοια.

6. Η διασφάλιση της ανάπτυξης της ανθρωπότητας με ηθικά και κοινωνικά ευαίσθητο τρόπο απαιτεί μια προσέγγιση «ενσωματωμένης ηθικής», όπου διεπιστημονικές και αντιπροσωπευτικές ομάδες ηθικολόγων, ερευνητών και μελών του κοινού εντοπίζουν, συζητούν και αναλύουν ηθικά ζητήματα και τα ανατροφοδοτούν για να ενημερώσουν μελλοντική έρευνα και εργασία.

Με λίγα λόγια, αυτοί οι ερευνητές ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν δείγματα ανθρώπινου ιστού για να αναπτύξουν και να χειριστούν ολοένα και πιο ισχυρές συλλογές εγκεφαλικών κυττάρων που θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν αντί για τα τυπικά τσιπ υπολογιστών πυριτίου.

Αυτές οι συστάδες κυττάρων θα είναι πολύ μεγαλύτερες και θα αναπτύσσονται σε τρεις διαστάσεις, γεγονός που επιτρέπει στους νευρώνες μέσα σε αυτές να δημιουργούν σημαντικά περισσότερες συνδέσεις.

Είναι μια τεχνολογία που απαιτεί πολλούς επιστημονικούς κλάδους για να ξεκινήσει. Ενώ ορισμένοι ερευνητές εργάζονται πάνω στην ανάπτυξη οργανοειδών στο μέγεθος των 10 εκατομμυρίων κυττάρων, κάτι που οι επιστήμονες εκτιμούν ότι είναι απαραίτητο για να αρχίσουν να λειτουργούν οπουδήποτε κοντά σε έναν ανθρώπινο εγκέφαλο, άλλοι αναπτύσσουν τεχνολογία που θα μας επέτρεπε να επικοινωνούμε με μια συστάδα κυττάρων και να κάνουμε αυτή τη συστάδα να επικοινωνεί πίσω.

Ένα βασικό βήμα σε αυτήν την αμφίδρομη επικοινωνία έγινε πρόσφατα μέσω της ανάπτυξης ενός είδους καλύμματος EEG για οργανοειδή, χρησιμοποιώντας ένα εύκαμπτο κέλυφος πυκνά καλυμμένο με μικροσκοπικά ηλεκτρόδια που μπορούν τόσο να λαμβάνουν σήματα από το οργανοειδές όσο και να μεταδίδουν σήματα σε αυτό.

Αλλά η κατασκευή ενός πολύ ισχυρού υπολογιστή δεν είναι το μόνο πράγμα που στοχεύουν αυτοί οι ερευνητές. Ελπίζουν επίσης να χρησιμοποιήσουν αυτούς τους υπολογιστές οστεοαρθρίτιδας για να αναλύσουν νευρολογικές παθήσεις και να βοηθήσουν τους ασθενείς.

Ο κορυφαίος ερευνητής οργανοειδών, Thomas Hartung, συνόψισε: «Για παράδειγμα, θα μπορούσαμε να συγκρίνουμε τον σχηματισμό μνήμης σε οργανοειδή που προέρχονται από υγιείς ανθρώπους και από ασθενείς με Αλτσχάιμερ και να προσπαθήσουμε να διορθώσουμε τα σχετικά ελλείμματα. Θα μπορούσαμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε την ΟΙ για να ελέγξουμε εάν ορισμένες ουσίες, όπως τα φυτοφάρμακα, προκαλούν προβλήματα μνήμης ή μάθησης»

Θα μπορούσαν να ανακουφίσουν τον ανθρώπινο πόνο και τις ασθένειες μέσω των θεραπειών που βοηθούν στην ανάπτυξη και θα μπορούσαν να σώσουν τη ζωή χιλιάδων ζώων που θυσιάζονται αυτή τη στιγμή για ανθρώπινη έρευνα.

Μελέτη: Οργανοειδής νοημοσύνη (OI): το νέο σύνορο στη βιοϋπολογιστική και τη νοημοσύνη σε ένα πιάτο, L Smirnova, et. al.

Τι γίνεται με την ηθική των οργανοειδών;

Τον Απρίλιο του 2021, οι Εθνικές Ακαδημίες Επιστημών, Μηχανικής και Ιατρικής των ΗΠΑ δημοσίευσαν μια έκθεση που ανέφερε ότι, παρόλο που οι μίνι εγκέφαλοι είναι επί του παρόντος επουσιώδεις σε μέγεθος, πολυπλοκότητα και ωριμότητα, καθώς αυτά αυξάνονται, κανείς δεν μπορεί να εγγυηθεί ότι δεν θα αναπτύξουν κάποιο είδος ανθρώπινης επίγνωσης.

Αν συμβεί αυτό, τότε η αυξανόμενη πολυπλοκότητα των οργανοειδών θα μπορούσε να γίνει ένα ηθικό πρόβλημα, εμποδίζοντας την περαιτέρω ανάπτυξή τους. Ωστόσο, αυτό θα σηματοδοτούσε επίσης την πρώτη πραγματική συνάντηση με μη ανθρώπινη αλλά ανθρώπινη συνείδηση, η οποία θα αποτελούσε από μόνη της ένα ορόσημο.

‍