¿La IA y las células cerebrales humanas harán funcionar las futuras biocomputadoras?

Alexandra_Koch/Pixabay

Un nuevo estudio publicado en Frontiers in Science presenta la biocomputación con "inteligencia organoide" (OI), un campo multidisciplinario emergente en la intersección de la inteligencia artificial (IA), la biología, las células madre, la informática, la ingeniería y la neurociencia.

"La adaptación de los modelos de investigación de OI a las enfermedades neurodegenerativas ofrecería el primer modelo preclínico basado en humanos para ayudarnos a comprender y desarrollar tratamientos efectivos para estas enfermedades devastadoras", según el autor principal Thomas Hartung, profesor de ciencias de la salud ambiental en la Escuela de Salud Pública Bloomberg de Johns Hopkins y la Escuela de Ingeniería Whiting en colaboración con investigadores afiliados a la Universidad Johns Hopkins, Cortical Labs, la Universidad de California en San Diego y la Universidad de Luxemburgo.

"Hemos acuñado el término "inteligencia organoide" (OI) para describir un campo emergente con el objetivo de ampliar la definición de biocomputación hacia la computación OI dirigida al cerebro, es decir, aprovechar la maquinaria autoensamblada de cultivos de células cerebrales humanas en 3D (organoides cerebrales) para memorizar y calcular entradas", escribieron los investigadores.

Inteligencia en un plato

Los organoides son órganos humanos en miniatura tridimensionales utilizados para la investigación científica que se cultivaron en una placa de laboratorio a partir de células madre pluripotentes derivadas de tejido humano. Uno de los desafíos en la neurociencia y la investigación de enfermedades cerebrales es tener la capacidad de realizar investigaciones sobre el tejido cerebral humano en funcionamiento real. Muchos estudios de investigación utilizan roedores como sustituto, lo que tiene sus inconvenientes. Un estudio del Instituto Allen para la Ciencia del Cerebro publicado en Nature en 2019 se encontraron diferencias generalizadas entre los tipos de células homólogas humanas y de ratón, como la expresión génica, la morfología, las distribuciones laminares y las alteraciones en las proporciones. Las diferencias específicas de la especie subrayan la importancia de realizar investigaciones con células humanas y el valor de usar organoides como sustituto.

"Los organoides cerebrales recapitulan la histoarquitectura y la funcionalidad de los órganos mucho más de cerca que las culturas 2D tradicionales", escribieron los investigadores. "Pueden contener axones mielinizados y no solo mostrar actividad electrofisiológica espontánea, sino también demostrar un comportamiento oscilatorio complejo y exhibir una alta densidad celular y patrones de capas, todo lo cual hace que los organoides cerebrales sean superiores a los cultivos monocapa tradicionales".

Los organoides se desarrollan usando células madre pluripotentes inducidas, o IPSC. Las células madre pluripotentes tienen la capacidad de convertirse en otros tipos de células. Las células madre son células no especializadas que dan lugar a células diferenciadas. En 2018, un equipo de científicos liderados por Tufts publicó su estudio que mostró cómo cultivaron un modelo 3D de tejido cerebral humano que exhibió actividad neuronal espontánea durante al menos nueve meses.

Según los investigadores, las células madre pluripotentes inducidas y la creación de organoides cerebrales 3D utilizando el método iPSC harán factible su enfoque de inteligencia de organoides.

"La última década ha visto una revolución en los cultivos de células cerebrales, pasando de los cultivos monocapa tradicionales a cultivos 3D organizados más parecidos a órganos, es decir, organoides cerebrales", escribieron los investigadores. "Estos pueden generarse a partir de células madre embrionarias o de las iPSC menos problemáticas éticamente derivadas típicamente de muestras de piel. El Johns Hopkins Center for Alternatives to Animal Testing, entre otros, ha producido tales organoides cerebrales con altos niveles de estandarización y escalabilidad".

Los organoides ofrecen una forma de realizar investigaciones biomédicas, neurocientíficas, farmacéuticas y de ciencias de la vida que pueden ayudar a acelerar el descubrimiento y el desarrollo de tratamientos novedosos para la epilepsia, la esclerosis lateral amiotrófica (también conocida como ELA o enfermedad de Lou Gehrig), Alzheimer, Parkinson, Huntington, distrofia muscular y otras enfermedades.

Aprendizaje automático de IA

El aprendizaje automático de inteligencia artificial será una parte crítica de los sistemas de inteligencia de organoides y se aplicará para decodificar los inmensos conjuntos de datos de registros de actividad neuronal capturados por la nueva matriz de microelectrodos de organoides. Los investigadores prevén utilizar las capacidades de reconocimiento de patrones del aprendizaje automático de IA para ayudar a cuantificar la función de los organoides y los cambios en la arquitectura, lo que implica procesos como la codificación automática, la detección de señales mediante secuenciación y modelos de series temporales, la desconvolución de patrones de señales de ruidos de fondo y la integración de sensores para acelerar el procesamiento basado en aprendizaje automático no supervisado y reducción de dimensiones. El objetivo es mapear las entradas y salidas de las conexiones neurológicas de los organoides.

Inteligencia biológica sintética a través de la biocomputación

La biocomputación (o computación biológica) es una alternativa a la computación basada en silicio. En el otoño del año pasado, Brett Kagan, Director Científico de Cortical Labs, y sus colegas de investigación dieron a conocer la primera inteligencia biológica sintética para mostrar el comportamiento adaptativo en tiempo real llamado "DishBrain", un sistema de células cerebrales cultivadas en un plato de laboratorio que aprendió a jugar en un mundo de juegos de computadora inspirado en el clásico juego de arcade de "Pong". Kagan es coautor del estudio actual.

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"Anticipamos que los sistemas de biocomputación basados en OI permitirán una toma de decisiones más rápida, un aprendizaje continuo durante las tareas y una mayor eficiencia energética y de datos", escribieron los científicos. "Además, el desarrollo de "inteligencia en un plato" podría ayudar a dilucidar la fisiopatología de enfermedades degenerativas y de desarrollo devastadoras (como la demencia), lo que podría ayudar a la identificación de nuevos enfoques terapéuticos para abordar las principales necesidades globales no satisfechas".

Interfaz cerebro-computadora de próxima generación

Uno de los factores clave para crear sistemas de inteligencia de organoides es tener la capacidad de registrar las salidas electrofisiológicas para el procesamiento bidireccional entre ensamblajes neuronales complejos. Para que la OI tenga éxito, se requiere un nuevo tipo de interfaz cerebro-computadora, también conocida como interfaz cerebro-máquina que pueda registrar la actividad neuronal con organoides cerebrales 3D.

"Las tecnologías de interfaz cerebro-máquina han estado en progreso durante al menos dos décadas, pero siguen siendo primitivas", escribieron los investigadores. "Las matrices de microelectrodos (MEA) forman el corazón de muchas de estas interfaces, ya que se pueden usar para estimular y registrar, y ofrecen un paralelismo y direccionamiento individual sin precedentes. Sin embargo, la mayoría están predominantemente en un formato basado en chips 2D, diseñado para su uso con cultivos celulares monocapa. Esto representa un problema probable ya que los organoides cerebrales son estructuras 3D esféricas que hacen un contacto limitado con un chip MEA 2D".

Los investigadores también señalan que la mayoría de los chips de electrodos 2D son inflexibles, lo que reduce la calidad de la grabación debido al ajuste inadecuado entre el chip de electrodo rígido y el cerebro.

Para habilitar los sistemas de inteligencia organoide, los científicos planean crear un nuevo tipo de interfaz de matriz de microelectrodos 3D flexible inspirada en tapas de electroencefalograma (EEG) que se asemejan a gorras de natación que registran la actividad cerebral de forma no invasiva utilizando pequeños electrodos colocados en la superficie del cuero cabelludo. Los científicos planean cultivar los organoides dentro de una cubierta recubierta con nanoestructuras y sondas de múltiples electrodos. Esta cubierta recubierta súper suave está diseñada para ser flexible, autoplegable y tejida para permitir la estimulación espacio-temporal 3D de alta resolución y el registro de la actividad en toda la superficie del organoide.

"En última instancia, apuntamos a una revolución en la computación biológica que podría superar muchas de las limitaciones de la computación basada en silicio y la inteligencia artificial y tener implicaciones significativas en todo el mundo", escribieron los científicos.

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