Il biocomputing con mini-cervelli come processori potrebbe essere più potente dell'intelligenza artificiale basata sul silicio

Il cervello umano è un maestro del calcolo. Non c'è da meravigliarsi che dagli algoritmi ispirati al cervello ai chip neuromorfici, gli scienziati stiano prendendo in prestito il playbook del cervello per dare una spinta alle macchine.

Eppure i risultati, sia software che hardware, catturano solo una frazione del complessità computazionali incorporate nei neuroni. Ma forse l’ostacolo principale nella costruzione di computer simili al cervello è che ancora non comprendiamo appieno come funziona il cervello. Ad esempio, come fa la sua architettura, definita da strati, regioni e circuiti neurali in continua evoluzione, a dare un senso al nostro mondo caotico caratterizzato da alta efficienza e basso consumo di energia?

Allora perché non eludere questo enigma e utilizzare il tessuto neurale direttamente come un biocomputer?

Questo mese, un team della Johns Hopkins University ha tracciato un progetto audace per un nuovo campo dell'informatica: l'intelligenza organoide (OI). Non preoccuparti, non stanno parlando di utilizzare tessuto cerebrale umano vivente collegato a fili in barattoli. Piuttosto, come nel nome, l'attenzione si concentra su un surrogato: organoidi cerebrali, meglio conosciuti come "mini-cervelli". Queste pepite delle dimensioni di un pisello assomigliano approssimativamente al fetale precoce cervello umano nella loro espressione genica, ampia varietà di cellule cerebrali e organizzazione. I loro circuiti neurali si accendono di attività spontanea, incresparsi con le onde cerebrali, e può persino rilevare la luce e controllare il movimento muscolare.

In sostanza, gli organoidi cerebrali sono processori altamente sviluppati che duplicano il cervello in misura limitata. Teoricamente, diversi tipi di mini-cervelli potrebbero essere collegati a sensori digitali e dispositivi di output, non diversamente dalle interfacce cervello-macchina, ma come un circuito esterno al corpo. A lungo termine, possono connettersi tra loro in un super biocomputer addestrato utilizzando metodi di biofeedback e apprendimento automatico per consentire "l'intelligenza in un piatto".

Sembra un po' inquietante? Sono d'accordo. Gli scienziati hanno discusso a lungo su dove tracciare la linea; cioè quando il mini-cervello diventa troppo simile a quello umano, con l'ipotetico scenario da incubo delle pepite che sviluppano coscienza.

La squadra è ben consapevole. Come parte dell'intelligenza organoide, sottolineano la necessità di un'"etica incorporata", con un consorzio di scienziati, esperti di bioetica e il pubblico che interviene durante lo sviluppo. Ma per l'autore senior Dr. Thomas Hartung, è giunto il momento di lanciare la ricerca sull'intelligenza degli organoidi.

"Il calcolo biologico (o biocomputing) potrebbe essere più veloce, più efficiente e più potente del calcolo basato sul silicio e dell'intelligenza artificiale e richiedere solo una frazione dell'energia", ha scritto il team.

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Una soluzione intelligente

Usare il tessuto cerebrale come hardware computazionale può sembrare bizzarro, ma ci sono stati dei pionieri in passato. Nel 2022, la società australiana Laboratori corticali ha insegnato a centinaia di migliaia di neuroni isolati in un piatto giocare a Pong all'interno di un ambiente virtuale. I neuroni si collegavano con chip di silicio alimentati da algoritmi di deep learning in una “piattaforma di intelligenza biologica sintetica” che catturava i segni neurobiologici di base dell’apprendimento.

Qui, il team ha portato l'idea un ulteriore passo avanti. Se i neuroni isolati potessero già supportare una forma rudimentale di bioinformatica, che dire dei mini-cervelli 3D?

Sin dal loro debutto, dieci anni fa, i mini-cervelli sono diventati dei preferiti per esaminare i disturbi dello sviluppo neurologico come l’autismo e testare nuovi trattamenti farmacologici. Spesso coltivati ​​dalle cellule della pelle di un paziente – trasformate in cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) – gli organoidi sono particolarmente potenti per imitare la composizione genetica di una persona, compreso il suo cablaggio neurale. Più recentemente, organoidi umani parzialmente restaurato visione danneggiata nei ratti dopo l'integrazione con i loro neuroni ospiti.

In altre parole, i mini-cervelli stanno già costruendo gli elementi costitutivi di un sistema di bioinformatica plug-and-play che si connette facilmente con i cervelli biologici. Allora perché non sfruttarli come processori per un computer? “La domanda è: possiamo imparare e sfruttare la capacità di calcolo di questi organoidi?” chiese la squadra.

Un progetto pesante

L'anno scorso, un gruppo di esperti di bioinformatica riuniti nel primo seminario sull'intelligenza degli organoidi nel tentativo di formare una comunità che affronti l'uso e le implicazioni dei mini-cervelli come biocomputer. Il tema generale, consolidato nella "dichiarazione di Baltimora", era la collaborazione. Un sistema mini-cervello necessita di diversi componenti: dispositivi per rilevare l'input, il processore e un output leggibile.

Nel nuovo documento, Hartung prevede quattro traiettorie per accelerare l'intelligenza organoide.

Il primo si concentra sulla componente critica: il mini-cervello. Sebbene densamente ricchi di cellule cerebrali che supportano l'apprendimento e la memoria, gli organoidi sono ancora difficili da coltivare su larga scala. Uno dei primi obiettivi chiave, hanno spiegato gli autori, è il ridimensionamento.

Anche i sistemi microfluidici, che fungono da “asili nido”, devono essere migliorati. Questi bagnoschiuma ad alta tecnologia forniscono nutrienti e ossigeno per mantenere vivi e sani i mini-cervelli in crescita, rimuovendo i rifiuti tossici, dando loro il tempo di maturare. Lo stesso sistema può anche pompare neurotrasmettitori – molecole che collegano la comunicazione tra i neuroni – in regioni specifiche per modificarne la crescita e il comportamento.

Gli scienziati possono quindi monitorare le traiettorie di crescita utilizzando una varietà di elettrodi. Sebbene la maggior parte sia attualmente adattata ai sistemi 2D, il team e altri stanno migliorando con interfacce 3D progettate specificamente per gli organoidi, ispirate ai cappucci EEG (elettroencefalogramma) con più elettrodi posizionati in una forma sferica.

Poi arriva la decodifica dei segnali. La seconda traiettoria riguarda la decifrazione dei quando e dei dove dell’attività neurale all’interno dei mini-cervelli. Quando vengono colpiti con determinati schemi elettrici, ad esempio quelli che incoraggiano i neuroni a giocare a Pong, producono i risultati attesi?

È un altro compito difficile; l'apprendimento modifica i circuiti neurali su più livelli. Quindi cosa misurare? Il team suggerisce di scavare in più livelli, inclusa l'espressione genica alterata nei neuroni e il modo in cui si collegano alle reti neurali.

Qui è dove l'intelligenza artificiale e la collaborazione possono fare colpo. Le reti neurali biologiche sono rumorose, quindi sono necessarie più prove prima che l'"apprendimento" diventi evidente, generando a sua volta un diluvio di dati. Per il team, l'apprendimento automatico è lo strumento perfetto per estrarre come diversi input, elaborati dal mini-cervello, si trasformano in output. Simile a progetti di neuroscienze su larga scala come il Iniziativa BRAIN, gli scienziati possono condividere le loro ricerche sull'intelligence degli organoidi in uno spazio di lavoro comunitario per collaborazioni globali.

La traiettoria tre è più lontana nel futuro. Con mini-cervelli e strumenti di misurazione efficienti e duraturi in mano, è possibile testare input più complessi e vedere come la stimolazione ritorna al processore biologico. Ad esempio, rende il suo calcolo più efficiente? Diversi tipi di organoidi, ad esempio quelli che assomigliano alla corteccia e alla retina, possono essere interconnessi per costruire forme più complesse di intelligenza organoide. Questi potrebbero aiutare a “testare empiricamente, esplorare e sviluppare ulteriormente le teorie neurocomputazionali dell’intelligenza”, hanno scritto gli autori.

Intelligenza su richiesta?

La quarta traiettoria è quella che sottolinea l'intero progetto: l'etica dell'utilizzo di mini-cervelli per il biocomputing.

Man mano che gli organoidi cerebrali assomigliano sempre più al cervello, tanto che possono farlo integrare e parzialmente restaurare il sistema visivo ferito di un roditore: gli scienziati chiedono se possono acquisire una sorta di consapevolezza.

Per essere chiari, non ci sono prove che i mini-cervelli siano coscienti. Ma "queste preoccupazioni aumenteranno durante lo sviluppo dell'intelligenza organoide, man mano che gli organoidi diventano strutturalmente più complessi, ricevono input, generano output e, almeno teoricamente, elaborano informazioni sul loro ambiente e costruiscono una memoria primitiva", hanno detto gli autori. Tuttavia, l'obiettivo dell'intelligenza organoide non è ricreare la coscienza umana, ma imitare le funzioni computazionali del cervello.

Il processore mini-cervello non è certo l'unica preoccupazione etica. Un altro è la donazione di cellule. Poiché i mini-cervelli conservano la composizione genetica del loro donatore, c'è la possibilità di bias di selezione e limitazione della neurodiversità.

Poi c'è il problema del consenso informato. Come ha dimostrato la storia con la famosa linea di cellule cancerose cellule HeLa, la donazione di cellule può avere impatti multigenerazionali. "Cosa mostra l'organoide sul donatore di cellule?" chiesero gli autori. I ricercatori avranno l'obbligo di informare il donatore se scoprono disturbi neurologici durante la loro ricerca?

Per navigare nel "territorio veramente inesplorato", il team propone un approccio etico incorporato. Ad ogni fase, i bioeticisti collaboreranno con i gruppi di ricerca per mappare i potenziali problemi in modo iterativo mentre raccolgono le opinioni pubbliche. La strategia è simile ad altri argomenti controversi, come editing genetico negli esseri umani.

Un mini computer alimentato dal cervello è lontano anni. "Ci vorranno decenni prima di raggiungere l'obiettivo di qualcosa di paragonabile a qualsiasi tipo di computer", ha affermato Hartung. Ma è ora di iniziare: lanciare il programma, consolidare più tecnologie in tutti i campi e impegnarsi in discussioni etiche.

"In definitiva, miriamo a una rivoluzione nel calcolo biologico che potrebbe superare molti dei limiti del calcolo basato sul silicio e dell'intelligenza artificiale e avere implicazioni significative in tutto il mondo", ha affermato il team.

Immagine di credito: Jesse Plotkin/Università Johns Hopkins

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