“Inteligência Orgânica” – biocomputadores revolucionários alimentados por células cerebrais humanas

Os cientistas estão colaborando em vários campos para criar biocomputadores que usam culturas 3D de células cerebrais, chamadas de organoides cerebrais, como biocomputadores. Eles expuseram seu plano para atingir esse objetivo na revista científica fronteiras na ciência.

Apesar do histórico impressionante da IA, seu poder computacional empalidece em comparação com o cérebro humano. Agora, os cientistas revelam um caminho revolucionário para levar a computação adiante: inteligência organoide, na qual organoides cerebrais desenvolvidos em laboratório atuam como dispositivos biológicos.

A inteligência artificial sempre foi inspirada no cérebro humano. Essa abordagem provou ser muito bem-sucedida: a IA está desfrutando de feitos impressionantes – desde o diagnóstico de condições médicas até a composição de poesia. No entanto, o modelo original continua superando as máquinas de várias maneiras. É por isso que, por exemplo, podemos “provar nossa humanidade” com testes triviais de fotos online. E se fôssemos direto à fonte em vez de tentar tornar a IA mais parecida com um cérebro?

Cientistas de várias disciplinas estão trabalhando para criar biocomputadores revolucionários nos quais culturas 3D de células cerebrais, chamadas de organoides cerebrais, atuam como dispositivos biológicos. Eles descrevem seu roteiro para alcançar essa visão na revista fronteiras na ciência.

Imagem ampliada de um organoide cerebral desenvolvido em laboratório com marcação fluorescente de diferentes tipos de células. (rosa – neurônios; vermelho – oligodendrócitos; verde – astrócitos; azul – todos os núcleos celulares). Crédito: Thomas Hartung, Universidade Johns Hopkins

“Chamamos esse novo campo interdisciplinar de ‘inteligência orgânica’ (IO)”, disse o professor Thomas Hartung, da Universidade Johns Hopkins. “Uma comunidade de cientistas líderes se reuniu para desenvolver essa tecnologia, que acreditamos lançará uma nova era de biocomputação poderosa e eficiente.”

Quais são as organelas do cérebro e por que elas são bons computadores?

Organoides cerebrais são um tipo de cultura de células em laboratório. Embora os organoides não sejam “mini-cérebros”, eles compartilham aspectos-chave da função e estrutura do cérebro, como neurônios e outras células cerebrais essenciais para funções cognitivas, como aprendizado e memória. Além disso, enquanto a maioria das culturas de células é plana, as organelas têm uma estrutura tridimensional. Isso resulta em um aumento de 1.000 vezes na densidade celular da cultura, o que significa que os neurônios podem formar um número maior de conexões.

Mas mesmo que os organoides cerebrais sejam tão bons imitadores de cérebros, por que eles são tão bons computadores? Afinal, os computadores não são mais inteligentes e rápidos que os cérebros?

Inteligência Orgânica: A Nova Fronteira no Grafo da Biocomputação. Crédito: Frontiers/Universidade John Hopkins

“Enquanto os computadores baseados em silício são definitivamente melhores com números, os cérebros são melhores no aprendizado”, explicou Hartung. Por exemplo, AlphaGo [the AI that beat the world’s number one Go player in 2017] Foi treinado com dados de 160.000 jogos. Uma pessoa teria que jogar cinco horas por dia durante mais de 175 anos para experimentar tantos jogos.”

Os cérebros não são apenas aprendizes superiores, eles também são mais eficientes em termos de energia. Por exemplo, a quantidade de energia gasta treinando o AlphaGo é mais do que o necessário para manter um adulto ativo por uma década.

“Os cérebros também têm uma capacidade incrível de armazenar informações, estimada em 2.500 terabytes”, acrescentou Hartung. Atingimos os limites físicos dos computadores de silício porque não podemos colocar mais transistores em um chip minúsculo. Mas o cérebro é conectado de uma maneira completamente diferente. Possui cerca de 100 bilhões de neurônios conectados por meio de mais de 1.015 pontos de conexão. É uma enorme diferença de força em comparação com a nossa tecnologia atual.”

Inteligência Orgânica: A Nova Fronteira no Grafo da Biocomputação. Crédito: Frontiers/Universidade John Hopkins

Como seriam os biocomputadores com inteligência orgânica?

De acordo com Hartung, as organelas cerebrais existentes precisam aumentar de tamanho para a OI. Eles são muito pequenos, cada um contendo cerca de 50.000 células. Para a OI, precisaríamos aumentar esse número para 10 milhões.”

Paralelamente, os autores também estão desenvolvendo técnicas para se comunicar com as organelas: ou seja, enviar-lhes informações e ler o que elas pensam. Os autores pretendem adaptar ferramentas de várias disciplinas científicas, como bioengenharia e[{” 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