La biocomputación con minicerebros como procesadores podría ser más poderosa que la IA basada en silicio

El cerebro humano es un maestro de la computación. No es de extrañar que, desde algoritmos inspirados en el cerebro hasta chips neuromórficos, los científicos estén tomando prestado el libro de jugadas del cerebro para impulsar a las máquinas.

Sin embargo, los resultados, tanto en software como en hardware, solo capturan una fracción del complejidades computacionales incrustadas en las neuronas. Pero quizás el principal obstáculo en la construcción de computadoras similares al cerebro es que todavía no entendemos completamente cómo funciona el cerebro. Por ejemplo, ¿cómo su arquitectura, definida por capas preestablecidas, regiones y circuitos neuronales en constante cambio, da sentido a nuestro mundo caótico con alta eficiencia y bajo consumo de energía?

Entonces, ¿por qué no eludir este enigma y utilizar el tejido neural directamente como una biocomputadora?

Este mes, un equipo de la Universidad Johns Hopkins presentó un plan audaz para un nuevo campo de la informática: la inteligencia organoide (OI). No se preocupe, no están hablando de usar tejido cerebral humano vivo conectado a cables en frascos. Más bien, como en el nombre, la atención se centra en un sustituto: los organoides cerebrales, más conocidos como "mini-cerebros". Estas pepitas del tamaño de un guisante se asemejan más o menos a las fetal temprano cerebro humano en su expresión génica, amplia variedad de células cerebrales y organización. Sus circuitos neuronales chisporrotean con actividad espontánea, ondulación con ondas cerebrales, e incluso puede detectar la luz y controlar el movimiento muscular.

En esencia, los organoides cerebrales son procesadores altamente desarrollados que duplican el cerebro hasta cierto punto. Teóricamente, se podrían conectar diferentes tipos de minicerebros a sensores digitales y dispositivos de salida, no muy diferentes a las interfaces cerebro-máquina, sino como un circuito fuera del cuerpo. A largo plazo, pueden conectarse entre sí en una súper biocomputadora entrenada con biorretroalimentación y métodos de aprendizaje automático para habilitar la "inteligencia en un plato".

¿Suena un poco espeluznante? Estoy de acuerdo. Los científicos han debatido durante mucho tiempo dónde trazar la línea; es decir, cuando el mini-cerebro se vuelve demasiado similar a uno humano, con el hipotético escenario de pesadilla de las pepitas desarrollando conciencia.

El equipo es muy consciente. Como parte de la inteligencia organoide, destacan la necesidad de una "ética integrada", con un consorcio de científicos, especialistas en bioética y el público que interviene durante todo el desarrollo. Pero para el autor principal, el Dr. Thomas Hartung, ahora es el momento de lanzar la investigación de inteligencia de organoides.

“La computación biológica (o biocomputación) podría ser más rápida, más eficiente y más poderosa que la computación basada en silicio y la IA, y solo requeriría una fracción de la energía”, escribió el equipo.

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Una solución inteligente

Usar tejido cerebral como hardware computacional puede parecer extraño, pero ha habido pioneros anteriores. En 2022, la empresa australiana Laboratorios corticales enseñó cientos de miles de neuronas aisladas en un plato jugar pong dentro de un entorno virtual. Las neuronas se conectaron con chips de silicio alimentados por algoritmos de aprendizaje profundo en una "plataforma de inteligencia biológica sintética" que capturó los signos neurobiológicos básicos del aprendizaje.

Aquí, el equipo llevó la idea un paso más allá. Si las neuronas aisladas ya podían soportar una forma rudimentaria de biocomputación, ¿qué pasa con los mini-cerebros 3D?

Desde su debut hace una década, los mini-cerebros se han convertido en favoritos para examinar trastornos del desarrollo neurológico como el autismo y probar nuevos tratamientos farmacológicos. A menudo cultivados a partir de células de la piel de un paciente, transformadas en células madre pluripotentes inducidas (iPSC), los organoides son especialmente poderosos para imitar la composición genética de una persona, incluido su cableado neuronal. Más recientemente, los organoides humanos parcialmente restaurado visión dañada en ratas después de integrarse con sus neuronas anfitrionas.

En otras palabras, los mini-cerebros ya son componentes básicos para un sistema de biocomputación plug-and-play que se conecta fácilmente con los cerebros biológicos. Entonces, ¿por qué no aprovecharlos como procesadores para una computadora? "La pregunta es: ¿podemos aprender y aprovechar la capacidad informática de estos organoides?" preguntó el equipo.

Un plan fuerte

El año pasado, un grupo de expertos en biocomputación unidos en el primer taller de inteligencia organoide en un esfuerzo por formar una comunidad que aborde el uso y las implicaciones de los mini-cerebros como biocomputadoras. El tema general, consolidado en “la declaración de Baltimore”, fue la colaboración. Un sistema de mini-cerebro necesita varios componentes: dispositivos para detectar la entrada, el procesador y una salida legible.

En el nuevo artículo, Hartung prevé cuatro trayectorias para acelerar la inteligencia organoide.

El primero se centra en el componente crítico: el mini-cerebro. Aunque densamente repletos de células cerebrales que respaldan el aprendizaje y la memoria, los organoides siguen siendo difíciles de cultivar a gran escala. Un objetivo clave temprano, explicaron los autores, es la ampliación.

Los sistemas de microfluidos, que actúan como "guarderías", también deben mejorar. Estos baños de burbujas de alta tecnología proporcionan nutrientes y oxígeno para mantener vivos y saludables los minicerebros en crecimiento mientras eliminan los desechos tóxicos, dándoles tiempo para madurar. El mismo sistema también puede bombear neurotransmisores, moléculas que unen la comunicación entre las neuronas, en regiones específicas para modificar su crecimiento y comportamiento.

Luego, los científicos pueden monitorear las trayectorias de crecimiento usando una variedad de electrodos. Aunque la mayoría actualmente están diseñados para sistemas 2D, el equipo y otros están subiendo de nivel con interfaces 3D diseñadas específicamente para organoides, inspiradas en las tapas de EEG (electroencefalograma) con múltiples electrodos colocados en forma esférica.

Luego viene la decodificación de señales. La segunda trayectoria tiene que ver con descifrar los cuándos y dóndes de la actividad neuronal dentro de los mini-cerebros. Cuando se activan con ciertos patrones eléctricos, por ejemplo, aquellos que alientan a las neuronas a jugar Pong, ¿producen los resultados esperados?

Es otra tarea difícil; el aprendizaje cambia los circuitos neuronales en múltiples niveles. Entonces, ¿qué medir? El equipo sugiere profundizar en múltiples niveles, incluida la expresión genética alterada en las neuronas y cómo se conectan a las redes neuronales.

Aquí es donde la IA y la colaboración pueden causar sensación. Las redes neuronales biológicas son ruidosas, por lo que se necesitan múltiples pruebas antes de que el "aprendizaje" se vuelva evidente, lo que a su vez genera una avalancha de datos. Para el equipo, el aprendizaje automático es la herramienta perfecta para extraer cómo las diferentes entradas, procesadas por el mini-cerebro, se transforman en salidas. De manera similar a los proyectos de neurociencia a gran escala como el Iniciativa BRAIN, los científicos pueden compartir su investigación de inteligencia de organoides en un espacio de trabajo comunitario para colaboraciones globales.

La trayectoria tres está más lejos en el futuro. Con mini-cerebros eficientes y duraderos y herramientas de medición en la mano, es posible probar entradas más complejas y ver cómo la estimulación retroalimenta al procesador biológico. Por ejemplo, ¿hace que su cálculo sea más eficiente? Se pueden interconectar diferentes tipos de organoides, por ejemplo, aquellos que se asemejan a la corteza y la retina, para construir formas más complejas de inteligencia organoide. Estos podrían ayudar a "probar empíricamente, explorar y desarrollar aún más las teorías neurocomputacionales de la inteligencia", escribieron los autores.

¿Inteligencia bajo demanda?

La cuarta trayectoria es la que subraya todo el proyecto: la ética del uso de mini-cerebros para la biocomputación.

A medida que los organoides cerebrales se parecen cada vez más al cerebro, tanto que pueden integrar y restaurar parcialmente el sistema visual lesionado de un roedor: los científicos preguntan si pueden obtener algún tipo de conciencia.

Para ser claros, no hay evidencia de que los mini-cerebros sean conscientes. Pero "estas preocupaciones aumentarán durante el desarrollo de la inteligencia organoide, a medida que los organoides se vuelvan estructuralmente más complejos, reciban entradas, generen salidas y, al menos teóricamente, procesen información sobre su entorno y construyan una memoria primitiva", dijeron los autores. Sin embargo, el objetivo de la inteligencia organoide no es recrear la conciencia humana, sino imitar las funciones computacionales del cerebro.

El procesador del mini-cerebro no es la única preocupación ética. Otra es la donación de células. Debido a que los mini-cerebros retienen la composición genética de sus donantes, existe la posibilidad de un sesgo de selección y una limitación en la neurodiversidad.

Luego está el problema del consentimiento informado. Como ha demostrado la historia con la famosa línea celular de cáncer, las células HeLa, la donación de células puede tener impactos multigeneracionales. "¿Qué exhibe el organoide sobre el donante de células?" preguntaron los autores. ¿Tendrán los investigadores la obligación de informar al donante si descubren trastornos neurológicos durante su investigación?

Para navegar por el "territorio verdaderamente inexplorado", el equipo propone un enfoque ético integrado. En cada paso, los especialistas en bioética colaborarán con los equipos de investigación para mapear problemas potenciales de manera iterativa mientras recopilan opiniones públicas. La estrategia es similar a otros temas controvertidos, como edición genética en humanos.

Una computadora con mini-cerebro está a años de distancia. “Tomará décadas antes de que logremos el objetivo de algo comparable a cualquier tipo de computadora”, dijo Hartung. Pero es hora de comenzar: lanzar el programa, consolidar múltiples tecnologías en todos los campos y participar en discusiones éticas.

“En última instancia, apuntamos hacia una revolución en la computación biológica que podría superar muchas de las limitaciones de la computación basada en silicio y la IA y tener implicaciones significativas en todo el mundo”, dijo el equipo.

Crédito de la imagen: Jesse Plotkin/Universidad Johns Hopkins

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• Fuente: https://singularityhub.com/2023/03/07/biocomputing-with-mini-brains-as-processors-could-be-more-powerful-than-ai/