Organoide cerebrale – Inteligența organoidă

Un organoid cerebral descrie un organ miniatural crescut artificial, in vitro, care seamănă cu creierul. Organoizii cerebrali sunt creați prin cultivarea celulelor stem pluripotente într-un bioreactor rotațional tridimensional și se dezvoltă pe parcursul lunilor. Creierul este un sistem extrem de complex de țesuturi eterogene și constă dintr-o gamă diversă de neuroni. Această complexitate a făcut ca studierea creierului și înțelegerea modului în care funcționează să fie o sarcină dificilă în neuroștiință, mai ales când vine vorba de boli neurodegenerative. Scopul creării unui model neurologic in vitro este de a studia aceste boli într-un spațiu mai simplu și mai variabil. Acest model 3D nu are multe limitări potențiale in vivo. Fiziologia variată între modelele umane și alte modele de mamifere limitează sfera de studiu în tulburările neurologice. Organoizii cerebrali sunt țesuturi sintetizate care conțin mai multe tipuri de celule nervoase și au caracteristici anatomice care recapitulează regiuni ale cortexului observate în creier. Organoizii cerebrali sunt cel mai asemănătoare cu straturile de neuroni numite cortex și plex coroid. În unele cazuri, se pot forma structuri similare cu retina, meningele și hipocampul. Celulele stem au potențialul de a crește în multe tipuri diferite de țesuturi, iar soarta lor depinde de mulți factori. Mai jos este o imagine care arată unii dintre factorii chimici care pot determina celulele stem să se diferențieze în diferite țesuturi neuronale; de atunci a fost publicat un tabel mai aprofundat de generare a identității organoide specifice. Tehnici similare sunt utilizate pe celulele stem folosite pentru a crește organoizi cerebrali.

 (Factori de creștere instructivi care reglează deciziile de soartă în NCSC embrionare. )

Dezvoltarea modelului

Utilizarea celulelor stem pluripotente umane pentru a crea organoizi cerebrali in vitro le permite cercetătorilor să sintetizeze mecanismele actuale de dezvoltare pentru țesutul neural uman, precum și să studieze rădăcinile bolilor neurologice umane. Organoizii cerebrali sunt un instrument de investigare folosit pentru a înțelege cum funcționează patologia bolii. Acești organoizi pot fi utilizați în experimente pentru care metodele in vitro actuale sunt prea simple, fiind, de asemenea, mai aplicabile la oameni decât ar putea fi modelele de rozătoare sau alte mamifere. Din punct de vedere istoric, descoperirile majore în modul în care funcționează creierul au rezultat din studierea leziunilor sau tulburărilor în funcționarea creierului uman, ceea ce a condus la înțelegerea modului în care funcționează regiunile creierului. Un model de creier uman in vitro ar permite următorul val în înțelegerea creierului uman.

Inteligența organoidă

Progresele recente în organoidele cerebrale derivate din celule stem umane promit să reproducă aspectele moleculare și celulare critice ale învățării și memoriei și, eventual, aspecte ale cogniției in vitro. „Inteligența organoidă” (IO) se poate considera o formă de calcul biologic autentic care valorifică organoidele cerebrale folosind progrese științifice și de bioinginerie într-un mod responsabil din punct de vedere etic. Organoidele ccerebrale standardizate, 3D, mielinizate, pot fi acum produse cu densitate mare de celule și niveluri îmbogățite de celule gliale și expresie genică critică pentru învățare. Sistemele integrate de perfuzie microfluidică pot sprijini cultivarea scalabilă și durabilă și semnalizarea chimică spațio-temporală. Noile matrice de microelectrozi 3D permit semnalizarea și înregistrarea electrofiziologică spațio-temporală de înaltă rezoluție pentru a explora capacitatea organoidelor creierului de a recapitula mecanismele moleculare de învățare și formare a memoriei și, în cele din urmă, potențialul lor computațional. Tehnologiile care ar putea permite noi modele de biocomputing prin antrenament stimul-răspuns și interfețe organoide-calculator sunt în dezvoltare. Avem în vedere interfețe complexe, în rețea, prin care organoidele creierului sunt conectate cu senzori și dispozitive de ieșire din lumea reală și, în cele din urmă, între ele și cu organoidele organelor senzoriale (de exemplu, organoidele retiniene) și sunt instruiți folosind biofeedback, depozitarea datelor mari și învățarea automată. metode. În paralel, subliniem o abordare etică încorporată pentru a analiza aspectele etice ridicate de cercetarea IO într-o manieră iterativă, colaborativă, implicând toate părțile interesate relevante. Numeroasele aplicații posibile ale acestei cercetări îndeamnă la dezvoltarea strategică a IO ca disciplină științifică. Anticipăm că sistemele de biocalculare bazate pe IO vor permite luarea mai rapidă a deciziilor, învățarea continuă în timpul sarcinilor și o eficiență mai mare a energiei și a datelor. Mai mult, dezvoltarea „inteligenței în sine” ar putea ajuta la elucidarea patofiziologiei bolilor devastatoare de dezvoltare și degenerative (cum ar fi demența), ajutând potențial la identificarea de noi abordări terapeutice pentru a răspunde nevoilor globale majore nesatisfăcute.

Puncte cheie

• Calculul biologic (sau bioinformatica) ar putea fi mai rapid, mai eficient și mai puternic decât calculul pe bază de siliciu și IA și necesită doar o fracțiune din energie.
• „Inteligența organoidă” (IO) descrie un domeniu multidisciplinar în curs de dezvoltare care lucrează la dezvoltarea calculului biologic folosind culturi 3D de celule ale creierului uman (organoide cerebrale) și tehnologii de interfață creier-mașină.
• IO necesită extinderea organoidelor actuale ale creierului în structuri 3D complexe și durabile, îmbogățite cu celule și gene asociate învățării și conectarea acestora la dispozitive de intrare și ieșire de generație următoare și sisteme IA/învățare automată.
• IO necesită noi modele, algoritmi și tehnologii de interfață pentru a comunica cu organoidele cerebrale, pentru a înțelege cum învață și calculează și pentru a procesa și stoca cantitățile masive de date pe care le vor genera.
• Cercetarea IO ne-ar putea îmbunătăți, de asemenea, înțelegerea dezvoltării creierului, a învățării și a memoriei, ajutând potențial la găsirea de tratamente pentru tulburările neurologice, cum ar fi demența.
• Asigurarea dezvoltării IO într-o manieră receptivă din punct de vedere etic și social necesită o abordare de „etică încorporată” în care echipe interdisciplinare și reprezentative de eticieni, cercetători și membri ai publicului identifică, discută și analizează problemele etice și le alimentează pentru a informa cercetările și lucrările viitoare.

Include texte traduse și adaptate din Wikipedia și Smirnova L, Caffo BS, Gracias DH, Huang Q, Morales Pantoja IE, Tang B, Zack DJ, Berlinicke CA, Boyd JL, Harris TD, Johnson EC, Kagan BJ, Kahn J, Muotri AR, Paulhamus BL, Schwamborn JC, Plotkin J, Szalay AS, Vogelstein JT, Worley PF and Hartung T. Organoid intelligence (OI): the new frontier in biocomputing and intelligence-in-a-dish. Front Sci (2023) 1:1017235. doi: 10.3389/fsci.2023.1017235. Traducere și adaptare Nicolae Sfetcu