“Organic Intelligence” – biocomputer rivoluzionari alimentati da cellule cerebrali umane

Nonostante l’impressionante track record dell’intelligenza artificiale, il suo potere computazionale impallidisce rispetto al cervello umano. Ora, gli scienziati rivelano un percorso rivoluzionario per far progredire l’informatica: l’intelligenza organoide, in cui gli organoidi cerebrali cresciuti in laboratorio agiscono come dispositivi biologici.

L’intelligenza artificiale è sempre stata ispirata dal cervello umano. Questo approccio ha dimostrato di avere molto successo: l’IA sta godendo di imprese impressionanti, dalla diagnosi di condizioni mediche alla composizione di poesie. Tuttavia, il modello originale continua a superare le macchine in molti modi. Per questo, ad esempio, possiamo “dimostrare la nostra umanità” con banali quiz fotografici online. E se andassimo direttamente alla fonte invece di cercare di rendere l’IA più simile a un cervello?

Scienziati di più discipline stanno lavorando per creare biocomputer rivoluzionari in cui colture 3D di cellule cerebrali, chiamate organoidi cerebrali, fungono da dispositivi biologici. Descrivono la loro tabella di marcia per raggiungere questa visione nel diario frontiere della scienza.

Immagine ingrandita di un organoide cerebrale cresciuto in laboratorio con etichettatura fluorescente di diversi tipi di cellule. (rosa – neuroni; rosso – oligodendrociti; verde – astrociti; blu – tutti i nuclei cellulari). Credito: Thomas Hartung, Johns Hopkins University

“Noi chiamiamo questo nuovo campo interdisciplinare ‘intelligenza organica’ (OI)”, ha affermato il professor Thomas Hartung della Johns Hopkins University. “Una comunità di eminenti scienziati si è riunita per sviluppare questa tecnologia, che crediamo lancerà una nuova era di velocità, bioinformatica potente ed efficiente”.

Quali sono gli organelli del cervello e perché sono ottimi computer?

Gli organoidi cerebrali sono un tipo di coltura cellulare in laboratorio. Sebbene gli organoidi non siano “mini-cervelli”, condividono aspetti chiave della funzione e della struttura del cervello come i neuroni e altre cellule cerebrali che sono essenziali per le funzioni cognitive come l’apprendimento e la memoria. Inoltre, mentre la maggior parte delle colture cellulari sono piatte, gli organelli hanno una struttura tridimensionale. Ciò si traduce in un aumento di 1.000 volte della densità cellulare della coltura, il che significa che i neuroni possono formare un numero maggiore di connessioni.

Ma anche se gli organoidi cerebrali sono così buoni imitatori del cervello, perché fanno computer così buoni? Dopotutto, i computer non sono più intelligenti e veloci dei cervelli?

Intelligenza organica: la nuova frontiera nel grafico del biocomputing. Credito: Frontiers/John Hopkins University

“Mentre i computer basati su silicio sono certamente migliori con i numeri, i cervelli sono più bravi nell’apprendimento”, ha spiegato Hartung. Ad esempio AlphaGo [the AI that beat the world’s number one Go player in 2017] È stato addestrato sui dati di 160.000 giochi. Una persona dovrebbe giocare cinque ore al giorno per più di 175 anni per provare tutti questi giochi”.

I cervelli non solo apprendono meglio, ma sono anche più efficienti dal punto di vista energetico. Ad esempio, la quantità di energia spesa per allenare AlphaGo è superiore a quella necessaria per mantenere un adulto attivo per un decennio.

“I cervelli hanno anche una straordinaria capacità di immagazzinare informazioni, stimata in 2.500 terabyte”, ha aggiunto Hartung. Abbiamo raggiunto i limiti fisici dei computer al silicio perché non possiamo racchiudere più transistor in un minuscolo chip. Ma il cervello è cablato in un modo completamente diverso. Ha circa 100 miliardi di neuroni collegati tramite più di 1.015 punti di connessione. È un’enorme differenza di forza rispetto alla nostra tecnologia attuale”.

Intelligenza organica: la nuova frontiera nel grafico del biocomputing. Credito: Frontiers/John Hopkins University

Come sarebbero i biocomputer con intelligenza organica?

Secondo Hartung, gli organelli cerebrali esistenti devono aumentare di dimensioni per l’OI. Sono molto piccoli, ciascuno contenente circa 50.000 cellule. Per OI, dovremmo aumentare quel numero a 10 milioni.

Parallelamente, gli autori stanno anche sviluppando tecniche per comunicare con gli organelli: in altre parole, inviando loro informazioni e leggendo ciò che pensano. Gli autori intendono adattare strumenti di varie discipline scientifiche, come la bioingegneria e[{” attribute=””>machine learning, as well as engineer new stimulation and recording devices.

Organoid intelligence requires diverse technologies to communicate with brain organoids infographic. Credit: Frontiers/John Hopkins University

“We developed a brain-computer interface device that is a kind of an EEG cap for organoids, which we presented in an article published last August. It is a flexible shell that is densely covered with tiny electrodes that can both pick up signals from the organoid, and transmit signals to it,” said Hartung.

The authors envision that eventually, OI would integrate a wide range of stimulation and recording tools. These will orchestrate interactions across networks of interconnected organoids that implement more complex computations.

Organoid intelligence could help prevent and treat neurological conditions

OI’s promise goes beyond computing and into medicine. Thanks to a groundbreaking technique developed by Noble Laureates John Gurdon and Shinya Yamanaka, brain organoids can be produced from adult tissues. This means that scientists can develop personalized brain organoids from skin samples of patients suffering from neural disorders, such as Alzheimer’s disease. They can then run multiple tests to investigate how genetic factors, medicines, and toxins influence these conditions.

Organoid intelligence will advance medical research and innovation infographic. Credit: Frontiers/John Hopkins University

“With OI, we could study the cognitive aspects of neurological conditions as well,” Hartung said. “For example, we could compare memory formation in organoids derived from healthy people and from Alzheimer’s patients, and try to repair relative deficits. We could also use OI to test whether certain substances, such as pesticides, cause memory or learning problems.”

Taking ethical considerations into account

Creating human brain organoids that can learn, remember, and interact with their environment raises complex ethical questions. For example, could they develop consciousness, even in a rudimentary form? Could they experience pain or suffering? And what rights would people have concerning brain organoids made from their cells?

‘Embedded ethics’ will ensure responsible development of organoid intelligence infographic. Credit: Frontiers/John Hopkins University

The authors are acutely aware of these issues. “A key part of our vision is to develop OI in an ethical and socially responsible manner,” Hartung said. “For this reason, we have partnered with ethicists from the very beginning to establish an ‘embedded ethics’ approach. All ethical issues will be continuously assessed by teams made up of scientists, ethicists, and the public, as the research evolves.”

How far are we from the first organoid intelligence?

Even though OI is still in its infancy, a recently-published study by one of the article’s co-authors – Dr. Brett Kagan of the Cortical Labs – provides proof of concept. His team showed that a normal, flat brain cell culture can learn to play the video game Pong.

“Their team is already testing this with brain organoids,” Hartung added. “And I would say that replicating this experiment with organoids already fulfills the basic definition of OI. From here on, it’s just a matter of building the community, the tools, and the technologies to realize OI’s full potential,” he concluded.

Reference: “Organoid intelligence (OI): the new frontier in biocomputing and intelligence-in-a-dish” by Lena Smirnova, Brian S. Caffo, David H. Gracias, Qi Huang, Itzy E. Morales Pantoja, Bohao Tang, Donald J. Zack, Cynthia A. Berlinicke, J. Lomax Boyd, Timothy D. Harris, Erik C. Johnson, Brett J. Kagan, Jeffrey Kahn, Alysson R. Muotri, Barton L. Paulhamus, Jens C. Schwamborn, Jesse Plotkin, Alexander S. Szalay, Joshua T. Vogelstein, Paul F. Worley and Thomas Hartung, 27 February 2023, Frontiers in Science.
DOI: 10.3389/fsci.2023.1017235