3 motivos pelos quais os organoides cerebrais são tão importantes

Os organoides representam atualmente um dos domínios da ciência que evoluem mais rapidamente. Eles também estão sendo desenvolvidos de muitas maneiras diferentes, porém igualmente fascinantes. Aqui, abordaremos três principais vias emergentes que prometem aumentar consideravelmente seu poder, competir com a inteligência artificial e, potencialmente, desvendar segredos para a prevenção de doenças neurodegenerativas.

O que são organoides?

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

Para desgosto dos neurocientistas, eles são frequentemente chamados na mídia de "mini-cérebros" ou "cérebros em uma placa de Petri", o que não é preciso, pois são tipicamente extremamente pequenos e sua complexidade é muito mais simples do que a do cérebro humano.

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

1. Síntese Cerebral Humano-Animal

Pela primeira vez na história, animais podem estar adquirindo alguns aspectos da inteligência humana por meio de transplantes cerebrais integrativos.

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

Seis meses após a integração, os neurônios humanos atingiram um novo nível de maturação, crescendo seis vezes mais do que era possível in vitro. Sua atividade passou a imitar melhor alguns dos comportamentos mais sofisticados observados no cérebro humano.

Em um experimento subsequente, os pesquisadores ativaram especificamente os neurônios humanos geneticamente modificados usando optogenética e conseguiram influenciar com sucesso a frequência com que os ratos buscavam uma recompensa. Ou seja, controlando células cerebrais humanas dentro do cérebro de um rato para controlar o comportamento do rato.

Essa abordagem abre a possibilidade de desenvolver sistemas cerebrais humanos complexos a partir de células-tronco com recursos tecnológicos limitados. Embora fascinante, esse novo domínio da pesquisa biológica, e até mesmo a própria biologia, pode estar repleto de complicações éticas, inclusive sobre como classificar um organismo híbrido desse tipo.

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

2. Senciência Sintética-Biológica

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

Em comparação com a síntese de organoides em diferentes tipos de cérebros biológicos, esta pesquisa segue uma direção totalmente nova, porém igualmente surpreendente, sintetizando diretamente uma mistura de organoides humanos e de roedores com o auxílio de computadores. Apelidada de "inteligência biológica sintética" (IBS), a meta é fundir sinergicamente essas formas de inteligência antes divergentes.

Em particular, os pesquisadores buscaram trazer o poder da complexidade de terceira ordem encontrada em organoides, algo nunca antes alcançado na computação tradicional. Além disso, buscaram obter a definição formal de senciência em culturas neurais, demonstrando efetivamente o aprendizado por feedback sensorial.

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

A capacidade dos neurônios em conjuntos de responderem a estímulos externos de forma adaptativa é a base de toda a aprendizagem animal. Embora este experimento inicial seja uma simulação muito básica, ele demonstrou comportamento inteligente e consciente em um mundo de jogo simulado por meio de comportamento direcionado a objetivos.

Essa abordagem oferece uma nova e promissora via de pesquisa para apoiar ou contestar teorias que explicam como o cérebro interage com o mundo, e para estudar a inteligência em geral. Ela também pode ser uma solução para superar os principais desafios que a evolução da inteligência artificial enfrenta para além dos níveis humanos, visto que os neurônios possuem diversas características de aprendizado que ainda não conseguimos emular em computadores.

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

3. OI - Uma Nova Via para o Desenvolvimento da Inteligência

Nossos dois primeiros exemplos levam os organoides por caminhos evolutivos diferentes daqueles originalmente previstos pelos neurocientistas. No entanto, mesmo o domínio tradicional da ciência dos organoides ainda está em seus primórdios, e isso está prestes a mudar rapidamente.

Estão surgindo muitos métodos promissores para aumentar sua escala, complexidade e especialização funcional, mantendo, ao mesmo tempo, seu acesso prático em uma placa de Petri. Assim, os organoides cerebrais representam atualmente um dos domínios de pesquisa mais empolgantes em bioinformática.

Embora passe despercebida pelas abordagens tradicionais de inteligência artificial, a "inteligência organoide" (IO) está emergindo como uma potencial candidata ao caminho mais rápido para o objetivo final da inteligência artificial geral (IAG).

Um consórcio com mais de 20 líderes científicos da área publicou recentemente um artigo abrangente e inovador sobre o avanço da ciência dos organoides.

Aqui estão 6 afirmações principais que eles apresentam.

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

2. 'Inteligência organoide' (IO) descreve um campo multidisciplinar emergente que trabalha para desenvolver a computação biológica usando culturas 3D de células cerebrais humanas (organoides cerebrais) e tecnologias de interface cérebro-máquina.

3. A OI exige a ampliação dos organoides cerebrais atuais para estruturas 3D complexas e duráveis, enriquecidas com células e genes associados à aprendizagem, e a conexão destas a dispositivos de entrada e saída de última geração e a sistemas de IA/aprendizagem de máquina.

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

5. A pesquisa sobre OI também pode melhorar nossa compreensão do desenvolvimento cerebral, da aprendizagem e da memória, potencialmente ajudando a encontrar tratamentos para distúrbios neurológicos como a demência.

6. Garantir que a Inovação Aberta se desenvolva de forma ética e socialmente responsável exige uma abordagem de "ética integrada", na qual equipes interdisciplinares e representativas de especialistas em ética, pesquisadores e membros do público identifiquem, discutam e analisem questões éticas e compartilhem essas informações para orientar pesquisas e trabalhos futuros.

Em resumo, esses pesquisadores esperam usar amostras de tecido humano para cultivar e manipular conjuntos cada vez mais poderosos de células cerebrais, que poderiam ser usados ​​no lugar dos chips de silício padrão para computadores.

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

É uma tecnologia que exige diversas disciplinas científicas para sair do papel. Enquanto alguns pesquisadores trabalham no cultivo de organoides até o tamanho de 10 milhões de células, que os cientistas estimam ser necessário para que comecem a funcionar de forma semelhante a um cérebro humano, outros estão desenvolvendo tecnologia que nos permitiria comunicar com um aglomerado de células e receber uma resposta desse aglomerado.

Um passo fundamental nessa comunicação bidirecional foi dado recentemente através do desenvolvimento de uma espécie de touca de EEG para organoides, utilizando uma estrutura flexível densamente coberta com minúsculos eletrodos que podem tanto captar sinais do organoide quanto transmitir sinais para ele.

Mas construir um computador muito poderoso não é o único objetivo desses pesquisadores. Eles também esperam usar esses computadores OI para analisar condições neurológicas e ajudar pacientes.

O renomado pesquisador de organoides Thomas Hartung resumiu: “Por exemplo, poderíamos comparar a formação da memória em organoides derivados de pessoas saudáveis ​​e de pacientes com Alzheimer, e tentar corrigir déficits relativos. Também poderíamos usar a OI para testar se certas substâncias, como pesticidas, causam problemas de memória ou de aprendizado.”

Eles poderiam aliviar o sofrimento humano e as doenças por meio dos tratamentos que ajudam a desenvolver e poderiam poupar a vida de milhares de animais que atualmente são sacrificados para pesquisas com seres humanos.

Estudo: Inteligência organoide (IO): a nova fronteira na biocomputação e inteligência em placa de Petri, L Smirnova, et al.

E quanto à ética dos organoides?

Em abril de 2021, a Academia Nacional de Ciências, Engenharia e Medicina dos EUA publicou um relatório afirmando que, embora os minicérebros sejam atualmente insignificantes em tamanho, complexidade e maturidade, à medida que estes aumentam, ninguém pode garantir que eles não desenvolverão algum tipo de consciência semelhante à humana.

Caso isso se confirme, a crescente sofisticação dos organoides poderá se tornar um dilema ético complexo, dificultando seu desenvolvimento futuro. Contudo, isso também marcaria o primeiro encontro real com uma consciência não humana, porém semelhante à humana, o que seria um marco por si só.

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