3 razões pelas quais os organoides cerebrais são importantes

Os organoides são atualmente um dos domínios da ciência em mais rápida evolução. Eles também estão evoluindo de muitas maneiras diferentes, mas igualmente fascinantes. Aqui abordaremos três principais caminhos emergentes que prometem aumentar enormemente seu poder, competir com a inteligência das máquinas e potencialmente desvendar segredos para prevenir doenças neurodegenerativas.

O que são organoides?

Organoides (ou assemblóides ) são aglomerados funcionais de neurônios cultivados in vitro, geralmente a partir de células-tronco da pele. Essas formações cerebrais vivas relativamente complexas, que podem ser animais ou humanas, são usadas para estudar a mecânica neural em laboratório, fora de um cérebro real.

Para desdém dos neurocientistas, são frequentemente referidos nos meios de comunicação como “mini-cérebros” ou “cérebros num prato”, o que não é exacto, uma vez que são tipicamente extremamente pequenos e a sua complexidade é muito mais simples do que a do cérebro humano.

Dito isto, e como abordaremos aqui, existem diferentes métodos sendo desenvolvidos para aumentar consideravelmente seu tamanho e complexidade funcional.

1. Síntese Cérebro Humano-Animal

Pela primeira vez na história, os animais podem estar a adquirir alguns aspectos da inteligência humana através de transplantes cerebrais integrativos.

O valor de pesquisa dos organoides é bastante limitado pelo tamanho e complexidade em que podem crescer. Para superar esse problema, uma nova abordagem publicada na Nature transplantou organoides do córtex humano em cérebros de ratos vivos (mostrados na imagem acima).

6 meses após a integração, os neurônios humanos atingiram uma nova ordem de maturação, crescendo 6 vezes mais do que era possível in vitro. A sua actividade emulou melhor alguns dos comportamentos mais sofisticados observados nos cérebros humanos.

Em um experimento de acompanhamento, os pesquisadores ativaram especificamente os neurônios humanos geneticamente alterados usando optogenética e foram capazes de influenciar com sucesso a frequência com que os ratos buscavam uma recompensa. Isto é, controlar células cerebrais humanas dentro do cérebro de um rato, para controlar o comportamento do rato.

Esta abordagem abre a possibilidade de desenvolver sistemas cerebrais humanos complexos a partir de células estaminais com recursos tecnológicos limitados. Embora fascinante, este novo domínio da investigação biológica, e mesmo da própria biologia, pode estar repleto de complicações éticas, incluindo até mesmo a forma de classificar um organismo tão híbrido.

Estudo: Maturação e integração de circuitos de organoides corticais humanos transplantados , Omer Revah et al.Stu

2. Senciência Biológica Sintética

Este vídeo é mais do que aparenta – é na verdade a primeira hibridização bem-sucedida de neurônios biológicos e chips de silício aprendendo a jogar um jogo simulado.

Comparando com a síntese de organoides em diferentes cérebros biológicos, esta pesquisa segue uma direção totalmente nova, mas igualmente incompreensível, ao sintetizar diretamente uma mistura de organoides humanos/roedores com computadores. Chamada de “inteligência biológica sintética” (SBI), o objetivo é fundir sinergicamente essas formas de inteligência antes divergentes.

Em particular, os pesquisadores procuraram trazer o poder da complexidade de terceira ordem encontrada nos organoides, o que nunca foi possível na computação tradicional. E, além disso, para alcançar a definição formal de senciência em culturas neurais, demonstrando efetivamente a aprendizagem por feedback sensorial.

Neste estudo, os organoides in vitro foram integrados à computação 'in silico' por meio de um arranjo multieletrodo de alta densidade. Usando feedback estruturado em circuito fechado por meio de estimulação eletrofisiológica, o experimento denominado 'BrainDish' foi incorporado a uma simulação do icônico jogo de computador Pong.

A capacidade dos neurônios em montagens de responder adaptativamente a estímulos externos é a base de todo aprendizado animal. Embora este experimento inicial seja uma simulação muito básica, ele demonstrou comportamento inteligente e senciente em um mundo de jogo simulado por meio de comportamento direcionado a objetivos.

Esta abordagem proporciona um novo e promissor caminho de investigação para apoiar ou desafiar teorias que explicam como o cérebro interage com o mundo e para estudar a inteligência em geral. Pode também ser uma panaceia para superar os principais desafios enfrentados pela evolução da inteligência das máquinas para além dos níveis humanos, uma vez que os neurónios têm várias características de aprendizagem que ainda não conseguimos emular nos computadores.

Estudo: Neurônios in vitro aprendem e exibem senciência quando incorporados em um mundo de jogo simulado , Brett J. Kagan et al.

3. OI – Um novo caminho para o desenvolvimento de inteligência

Nossos dois primeiros exemplos levam os organoides a caminhos evolutivos diferentes daqueles originalmente imaginados pelos neurocientistas. No entanto, mesmo o domínio tradicional da ciência organoide ainda está em sua infância e isso deverá mudar rapidamente.

Existem muitos métodos promissores emergentes para aumentar a sua escala, complexidade e especialização funcional, mantendo ao mesmo tempo o seu acesso prático dentro de uma placa de laboratório. Como tal, os organoides cerebrais são atualmente um dos domínios mais interessantes de pesquisa em biocomputação.

Embora passe despercebida pelas abordagens tradicionais de inteligência de máquina, a 'inteligência organoide' (OI) está emergindo como um potencial candidato ao caminho mais rápido para o Santo Graal da inteligência artificial geral (AGI).

Um consórcio de mais de 20 líderes científicos no espaço publicou recentemente um documento abrangente e histórico sobre o avanço da ciência dos organoides.

Aqui estão seis afirmações principais que eles postulam.

1. A computação biológica (ou biocomputação) poderia ser mais rápida, mais eficiente e mais poderosa do que a computação baseada em silício e a IA, e exigir apenas uma fração da energia.

2. A «inteligência organoide» (OI) descreve um campo multidisciplinar emergente que trabalha para desenvolver a computação biológica utilizando culturas 3D de células cerebrais humanas (organoides cerebrais) e tecnologias de interface cérebro-máquina.

3. A IO requer a expansão dos organoides cerebrais atuais em estruturas 3D complexas e duráveis, enriquecidas com células e genes associados à aprendizagem, e conectá-los a dispositivos de entrada e saída de próxima geração e sistemas de IA/aprendizado de máquina.

4. A IA requer novos modelos, algoritmos e tecnologias de interface para comunicar com os organoides cerebrais, compreender como aprendem e computam, e processar e armazenar as enormes quantidades de dados que irão gerar.

5. A investigação sobre IA também poderia melhorar a nossa compreensão do desenvolvimento do cérebro, da aprendizagem e da memória, ajudando potencialmente a encontrar tratamentos para doenças neurológicas, como a demência.

6. Garantir que a IA se desenvolva de maneira ética e socialmente responsiva requer uma abordagem de “ética incorporada”, onde equipes interdisciplinares e representativas de especialistas em ética, pesquisadores e membros do público identifiquem, discutam e analisem questões éticas e as retroalimentem para informar pesquisas futuras e trabalho.

Em suma, estes investigadores esperam utilizar amostras de tecido humano para cultivar e manipular coleções cada vez mais poderosas de células cerebrais que possam utilizar no lugar dos chips de computador de silício padrão.

Esses aglomerados de células serão muito maiores e crescerão em três dimensões, o que permite que os neurônios dentro deles criem significativamente mais conexões.

É uma tecnologia que requer muitas disciplinas científicas para decolar. Enquanto alguns pesquisadores estão trabalhando no crescimento de organoides até o tamanho de 10 milhões de células, que os cientistas estimam ser necessário para começar a funcionar em qualquer lugar próximo a um cérebro humano, outros estão desenvolvendo tecnologia que nos permitiria nos comunicar com um aglomerado de células e faça com que aquele grupo se comunique de volta.

Um passo fundamental nesta comunicação bidirecional foi dado recentemente através do desenvolvimento de uma espécie de tampa EEG para organoides, usando uma concha flexível densamente coberta com pequenos eletrodos que podem captar sinais do organoide e transmitir sinais para ele.

Mas apenas construir um computador muito poderoso não é a única meta que esses pesquisadores almejam. Eles também esperam usar esses computadores OI para analisar condições neurológicas e ajudar os pacientes.

O principal pesquisador de organoides, Thomas Hartung, resumiu: “Por exemplo, poderíamos comparar a formação de memória em organoides derivados de pessoas saudáveis ​​e de pacientes com Alzheimer, e tentar reparar déficits relativos. Poderíamos também usar IA para testar se certas substâncias, como pesticidas, causam problemas de memória ou de aprendizagem.”

Poderiam aliviar o sofrimento e as doenças humanas através dos tratamentos que ajudam a desenvolver e poderiam poupar as vidas de milhares de animais que estão actualmente a ser sacrificados para investigação em seres humanos.

Estudo: Inteligência organoide (OI): a nova fronteira em biocomputação e inteligência em um prato , L Smirnova, et. al.

Que tal a ética dos organoides?

Em abril de 2021, as Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina dos EUA publicaram um relatório afirmando que, embora os minicérebros sejam atualmente insubstanciais em tamanho, complexidade e maturidade, à medida que aumentam, ninguém pode garantir que não desenvolverão algum tipo da consciência do tipo humano.

Se este for o caso, então a crescente sofisticação dos organoides poderá tornar-se uma lata de minhocas éticas, dificultando o seu desenvolvimento futuro. No entanto, isto também marcaria o primeiro encontro real de uma consciência não-humana, mas semelhante à humana , o que seria um marco em si mesmo.

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