Biocomputação com mini-cérebros como processadores pode ser mais poderosa do que IA baseada em silício

O cérebro humano é um mestre da computação. Não é de admirar que, de algoritmos inspirados no cérebro a chips neuromórficos, os cientistas estejam pegando emprestado o manual do cérebro para dar um impulso às máquinas.

No entanto, os resultados - tanto em software quanto em hardware - capturam apenas uma fração do complexidades computacionais embutidas em neurônios. Mas talvez o maior obstáculo na construção de computadores semelhantes ao cérebro seja que ainda não entendemos completamente como o cérebro funciona. Por exemplo, como sua arquitetura – definida por camadas, regiões e circuitos neurais em constante mudança pré-estabelecidos – dá sentido ao nosso mundo caótico com alta eficiência e baixo consumo de energia?

Então, por que não contornar esse enigma e usar o tecido neural diretamente como um biocomputador?

Este mês, uma equipe da Universidade Johns Hopkins apresentou um projeto ousado para um novo campo da computação: inteligência organoide (OI). Não se preocupe - eles não estão falando sobre o uso de tecido cerebral humano vivo conectado a fios em frascos. Em vez disso, como no nome, o foco está em um substituto: organoides cerebrais, mais conhecidos como “mini-cérebros”. Essas pepitas do tamanho de ervilhas lembram mais ou menos o fetal precoce cérebro humano em sua expressão gênica, grande variedade de células cerebrais e organização. Seus circuitos neurais acendem com atividade espontânea, ondulação com ondas cerebrais, e pode até detectar luz e controlar o movimento muscular.

Em essência, os organoides cerebrais são processadores altamente desenvolvidos que duplicam o cérebro em um grau limitado. Teoricamente, diferentes tipos de minicérebros poderiam ser conectados a sensores digitais e dispositivos de saída – não muito diferentes das interfaces cérebro-máquina, mas como um circuito fora do corpo. A longo prazo, eles podem se conectar em um super biocomputador treinado usando métodos de biofeedback e aprendizado de máquina para permitir “inteligência em um prato”.

Parece um pouco assustador? Concordo. Os cientistas há muito debatem onde traçar a linha; isto é, quando o mini-cérebro se torna muito semelhante ao humano, com o hipotético cenário de pesadelo das pepitas desenvolvendo consciência.

A equipe está bem ciente. Como parte da inteligência organoide, eles destacam a necessidade de “ética incorporada”, com um consórcio de cientistas, bioeticistas e o público avaliando ao longo do desenvolvimento. Mas para o autor sênior Dr. Thomas Hartung, o momento de lançar a pesquisa de inteligência organoide é agora.

“A computação biológica (ou biocomputação) pode ser mais rápida, mais eficiente e mais poderosa do que a computação baseada em silício e a IA, e requer apenas uma fração da energia”, escreveu a equipe.

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Uma Solução Inteligente

Usar tecido cerebral como hardware computacional pode parecer bizarro, mas houve pioneiros anteriores. Em 2022, a empresa australiana Laboratórios Corticais ensinou centenas de milhares de neurônios isolados em um prato jogar Pong dentro de um ambiente virtual. Os neurônios conectados com chips de silício alimentados por algoritmos de aprendizado profundo em uma “plataforma de inteligência biológica sintética” que capturou sinais neurobiológicos básicos de aprendizado.

Aqui, a equipe levou a ideia um passo adiante. Se neurônios isolados já podiam suportar uma forma rudimentar de biocomputação, o que dizer de mini-cérebros 3D?

Desde sua estreia, há uma década, os minicérebros se tornaram queridinhos para examinar distúrbios do neurodesenvolvimento, como o autismo, e testar novos tratamentos com drogas. Frequentemente cultivados a partir das células da pele de um paciente – transformados em células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) – os organoides são especialmente poderosos para imitar a composição genética de uma pessoa, incluindo sua fiação neural. Mais recentemente, organoides humanos parcialmente restaurado visão danificada em ratos após a integração com seus neurônios hospedeiros.

Em outras palavras, mini-cérebros já são blocos de construção para um sistema de biocomputação plug-and-play que se conecta prontamente com cérebros biológicos. Então, por que não aproveitá-los como processadores para um computador? “A questão é: podemos aprender e aproveitar a capacidade de computação desses organoides?” a equipe perguntou.

Um projeto robusto

No ano passado, um grupo de especialistas em biocomputação reunidos no primeiro workshop de inteligência organoide em um esforço para formar uma comunidade abordando o uso e as implicações de mini-cérebros como biocomputadores. O tema abrangente, consolidado na “declaração de Baltimore”, foi a colaboração. Um sistema de mini-cérebro precisa de vários componentes: dispositivos para detectar a entrada, o processador e uma saída legível.

No novo artigo, Hartung prevê quatro trajetórias para acelerar a inteligência organoide.

A primeira foca no componente crítico: o mini-cérebro. Embora densamente repletos de células cerebrais que suportam o aprendizado e a memória, os organoides ainda são difíceis de cultivar em larga escala. Um dos principais objetivos iniciais, explicaram os autores, é a expansão.

Os sistemas microfluídicos, que funcionam como “berçários”, também precisam melhorar. Esses banhos de espuma de alta tecnologia fornecem nutrientes e oxigênio para manter os mini-cérebros em desenvolvimento vivos e saudáveis ​​enquanto removem resíduos tóxicos, dando-lhes tempo para amadurecer. O mesmo sistema também pode bombear neurotransmissores – moléculas que fazem a ponte de comunicação entre os neurônios – em regiões específicas para modificar seu crescimento e comportamento.

Os cientistas podem monitorar as trajetórias de crescimento usando uma variedade de eletrodos. Embora a maioria esteja atualmente adaptada para sistemas 2D, a equipe e outros estão se nivelando com interfaces 3D projetadas especificamente para organoides, inspiradas em tampas de EEG (eletroencefalograma) com vários eletrodos colocados em forma esférica.

Depois vem a decodificação dos sinais. A segunda trajetória trata de decifrar os quandos e ondes da atividade neural dentro dos minicérebros. Quando zapeados com certos padrões elétricos - por exemplo, aqueles que estimulam os neurônios a jogar Pong - eles produzem os resultados esperados?

É outra tarefa difícil; o aprendizado muda os circuitos neurais em vários níveis. Então o que medir? A equipe sugere investigar vários níveis, incluindo a expressão genética alterada nos neurônios e como eles se conectam às redes neurais.

Aqui é onde a IA e a colaboração podem causar impacto. As redes neurais biológicas são barulhentas, portanto, vários testes são necessários antes que o “aprendizado” se torne aparente – gerando, por sua vez, um dilúvio de dados. Para a equipe, o aprendizado de máquina é a ferramenta perfeita para extrair como diferentes entradas, processadas pelo minicérebro, se transformam em saídas. Semelhante a projetos de neurociência em grande escala, como o Iniciativa BRAIN, os cientistas podem compartilhar suas pesquisas de inteligência organoide em um espaço de trabalho comunitário para colaborações globais.

A trajetória três é mais adiante no futuro. Com mini-cérebros eficientes e duradouros e ferramentas de medição em mãos, é possível testar entradas mais complexas e ver como a estimulação realimenta o processador biológico. Por exemplo, isso torna sua computação mais eficiente? Diferentes tipos de organoides – digamos, aqueles que se assemelham ao córtex e à retina – podem ser interconectados para construir formas mais complexas de inteligência organoide. Isso poderia ajudar a “testar empiricamente, explorar e desenvolver ainda mais as teorias neurocomputacionais da inteligência”, escreveram os autores.

Inteligência sob demanda?

A quarta trajetória é a que fundamenta todo o projeto: a ética do uso de minicérebros para biocomputação.

À medida que os organoides do cérebro se assemelham cada vez mais ao cérebro - tanto que podem integrar e restaurar parcialmente o sistema visual ferido de um roedor - os cientistas estão perguntando se eles podem ganhar uma espécie de consciência.

Para ser claro, não há evidências de que mini-cérebros sejam conscientes. Mas “essas preocupações aumentarão durante o desenvolvimento da inteligência organoide, à medida que os organoides se tornam estruturalmente mais complexos, recebem entradas, geram saídas e – pelo menos teoricamente – processam informações sobre seu ambiente e constroem uma memória primitiva”, disseram os autores. No entanto, o objetivo da inteligência organoide não é recriar a consciência humana, mas sim imitar as funções computacionais do cérebro.

O processador do mini-cérebro dificilmente é a única preocupação ética. Outra é a doação de células. Como os minicérebros retêm a composição genética de seus doadores, há uma chance de viés de seleção e limitação da neurodiversidade.

Depois, há o problema do consentimento informado. Como a história com a famosa linha de células cancerígenas HeLa mostrou, a doação de células pode ter impactos multigeracionais. “O que o organoide exibe sobre o doador de células?” os autores perguntaram. Os pesquisadores terão a obrigação de informar o doador se descobrirem distúrbios neurológicos durante a pesquisa?

Para navegar no “território verdadeiramente desconhecido”, a equipe propõe uma abordagem ética incorporada. Em cada etapa, os bioeticistas colaborarão com as equipes de pesquisa para mapear possíveis problemas iterativamente enquanto coletam opiniões públicas. A estratégia se assemelha a outros temas polêmicos, como edição genética em humanos.

Um minicomputador movido a cérebro está a anos de distância. “Levará décadas até atingirmos o objetivo de algo comparável a qualquer tipo de computador”, disse Hartung. Mas é hora de começar — lançar o programa, consolidar múltiplas tecnologias em todos os campos e engajar-se em discussões éticas.

“Em última análise, pretendemos uma revolução na computação biológica que possa superar muitas das limitações da computação baseada em silício e IA e ter implicações significativas em todo o mundo”, disse a equipe.

Crédito de imagem: Jesse Plotkin/Universidade 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/