Los científicos están colaborando en múltiples campos para crear biocomputadoras que utilizan cultivos 3D de células cerebrales, llamadas organoides cerebrales, como biocomputadoras. Presentaron su plan para lograr este objetivo en la revista científica. fronteras en la ciencia.
A pesar del impresionante historial de la inteligencia artificial, su poder computacional palidece en comparación con el cerebro humano. Ahora, los científicos revelan un camino revolucionario para hacer avanzar la informática: la inteligencia organoide, en la que los organoides cerebrales creados en laboratorio actúan como dispositivos biológicos.
La inteligencia artificial siempre se ha inspirado en el cerebro humano. Este enfoque ha demostrado ser muy exitoso: la IA está disfrutando de hazañas impresionantes, desde el diagnóstico de condiciones médicas hasta la composición de poesía. Sin embargo, el modelo original sigue superando a las máquinas en muchos aspectos. Esta es la razón por la que, por ejemplo, podemos «probar nuestra humanidad» con triviales cuestionarios fotográficos en línea. ¿Qué pasaría si fuéramos directamente a la fuente en lugar de intentar hacer que la IA se parezca más a un cerebro?
Científicos de múltiples disciplinas están trabajando para crear biocomputadoras revolucionarias en las que cultivos 3D de células cerebrales, llamados organoides cerebrales, actúan como dispositivos biológicos. Describen su hoja de ruta para lograr esta visión en la revista. fronteras en la ciencia.
Imagen ampliada de un organoide cerebral cultivado en el laboratorio con marcaje fluorescente de diferentes tipos de células. (rosa – neuronas; rojo – oligodendrocitos; verde – astrocitos; azul – todos los núcleos celulares). Crédito: Thomas Hartung, Universidad Johns Hopkins
«Llamamos a este nuevo campo interdisciplinario ‘inteligencia orgánica’ (OI)”, dijo el profesor Thomas Hartung de la Universidad Johns Hopkins. «Una comunidad de científicos líderes se ha unido para desarrollar esta tecnología, que creemos que lanzará una nueva era de rapidez, biocomputación poderosa y eficiente”.
¿Cuáles son los orgánulos del cerebro y por qué son buenas computadoras?
Los organoides cerebrales son un tipo de cultivo celular en el laboratorio. Aunque los organoides no son «mini-cerebros», comparten aspectos clave de la función y la estructura del cerebro, como las neuronas y otras células cerebrales que son esenciales para las funciones cognitivas, como el aprendizaje y la memoria. Además, mientras que la mayoría de los cultivos celulares son planos, los orgánulos tienen una estructura tridimensional. Esto da como resultado un aumento de 1000 veces en la densidad celular del cultivo, lo que significa que las neuronas pueden formar una mayor cantidad de conexiones.
Pero incluso si los organoides cerebrales son tan buenos imitadores de cerebros, ¿por qué hacen tan buenas computadoras? Después de todo, ¿no son las computadoras más inteligentes y rápidas que el cerebro?
Inteligencia orgánica: la nueva frontera en el gráfico de biocomputación. Crédito: Fronteras/Universidad John Hopkins
«Si bien las computadoras basadas en silicio son ciertamente mejores con los números, los cerebros son mejores para aprender», explicó Hartung. Por ejemplo, AlphaGo [the AI that beat the world’s number one Go player in 2017] Fue entrenado en datos de 160.000 juegos. Una persona tendría que jugar cinco horas al día durante más de 175 años para experimentar tantos juegos”.
Los cerebros no solo son mejores aprendices, también son más eficientes energéticamente. Por ejemplo, la cantidad de energía gastada entrenando AlphaGo es más de lo que se requiere para mantener a un adulto activo durante una década.
«Los cerebros también tienen una capacidad asombrosa para almacenar información, estimada en 2.500 terabytes», agregó Hartung. Hemos alcanzado los límites físicos de las computadoras de silicio porque no podemos empaquetar más transistores en un chip diminuto. Pero el cerebro está conectado de una manera completamente diferente. Tiene alrededor de 100 mil millones de neuronas conectadas a través de más de 1.015 puntos de conexión. Es una gran diferencia de fuerza en comparación con nuestra tecnología actual».
Inteligencia orgánica: la nueva frontera en el gráfico de biocomputación. Crédito: Fronteras/Universidad John Hopkins
¿Cómo serían las biocomputadoras con inteligencia orgánica?
Según Hartung, los orgánulos cerebrales existentes deben aumentar de tamaño para la OI. Son muy pequeños, cada uno contiene alrededor de 50.000 células. Para OI, necesitaríamos aumentar ese número a 10 millones”.
Paralelamente, los autores también están desarrollando técnicas para comunicarse con los orgánulos, es decir, enviarles información y leer lo que piensan. Los autores planean adaptar herramientas de varias disciplinas científicas, como bioingeniería y[{» 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
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