Представляем органоидный интеллект (ОИ).
Новое исследование, опубликованное в журнале Frontiers in Science, знакомит биокомпьютинг с "органоидным интеллектом" (ОИ) - развивающейся междисциплинарной областью на пересечении искусственного интеллекта (ИИ), биологии, стволовых клеток, вычислительной техники, инженерии и нейронауки.
"Адаптация исследовательских моделей ИИ к нейродегенеративным заболеваниям позволит создать первую доклиническую модель на основе человека, которая поможет нам понять и разработать эффективные методы лечения этих разрушительных заболеваний", - пишет ведущий автор Томас Хартунг, профессор наук о здоровье окружающей среды в Школе общественного здравоохранения Джона Хопкинса Блумберга и Инженерной школе Уайтинга в сотрудничестве с исследователями из Университета Джона Хопкинса, Cortical Labs, Калифорнийского университета Сан-Диего и Люксембургского университета.
"Мы придумали термин "органоидный интеллект" (ОИ) для описания новой области, цель которой - расширить определение биокомпьютинга до направленных на мозг вычислений ОИ, т.е. использовать самособирающиеся механизмы трехмерных культур клеток человеческого мозга (органоидов мозга) для запоминания и вычисления входных данных", - пишут исследователи.
Интеллект в блюде
Органоиды - это трехмерные миниатюрные человеческие органы, используемые для научных исследований, которые выращиваются в лабораторной посуде из плюрипотентных стволовых клеток, полученных из тканей человека. Одной из проблем в области неврологии и исследований заболеваний мозга является возможность проведения исследований на реально функционирующей ткани человеческого мозга. Во многих исследованиях в качестве суррогата используются грызуны, что имеет свои недостатки. Исследование Института Аллена по изучению мозга, опубликованное в журнале Nature в 2019 году, выявило широко распространенные различия между гомологичными типами клеток человека и мыши, такие как экспрессия генов, морфология, распределение ламинарий и изменения в пропорциях. Видовые различия подчеркивают важность проведения исследований с использованием человеческих клеток и ценность использования органоидов в качестве прокси.
"Органоиды мозга воспроизводят гистоархитектуру и функциональность органа гораздо точнее, чем традиционные двумерные культуры", - пишут исследователи. "Они могут содержать миелиновые аксоны и не только демонстрировать спонтанную электрофизиологическую активность, но и показывать сложное осцилляторное поведение, а также демонстрировать высокую плотность клеток и слоистость, что делает органоиды мозга лучше традиционных монослойных культур".
Органоиды создаются с помощью индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, или iPSCs. Плюрипотентные стволовые клетки обладают способностью развиваться в другие типы клеток. Стволовые клетки - это неспециализированные клетки, которые дают начало дифференцированным клеткам. В 2018 году группа ученых под руководством Тафтса опубликовала свое исследование, в котором показала, как они вырастили 3D-модель ткани человеческого мозга, которая демонстрировала спонтанную нейронную активность в течение как минимум девяти месяцев.
По мнению исследователей, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки и создание 3D органоидов мозга с помощью метода iPSC сделают их подход к органоидному интеллекту осуществимым.
"В последнее десятилетие произошла революция в культурах клеток мозга, переход от традиционных монослойных культур к более органоподобным, организованным 3D культурам - т.е. органоидам мозга", - пишут исследователи. Они могут быть получены либо из эмбриональных стволовых клеток, либо из менее этически проблематичных iPSC, обычно получаемых из образцов кожи". Центр альтернатив испытаниям на животных Джона Хопкинса, среди прочих, производит такие органоиды мозга с высоким уровнем стандартизации и масштабируемости".
Органоиды предлагают способ проведения биомедицинских, неврологических, фармацевтических и медико-биологических исследований, которые могут помочь ускорить открытие и разработку новых методов лечения эпилепсии, бокового амиотрофического склероза (также известного как ALS или болезнь Лу Герига), болезни Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона, мышечной дистрофии и других заболеваний.
Машинное обучение искусственного интеллекта
Машинное обучение искусственного интеллекта станет важнейшей частью интеллектуальных систем органоидов и будет применяться для расшифровки огромных массивов данных записей нейронной активности, полученных с помощью нового микроэлектродного массива органоидов. Исследователи предполагают использовать возможности машинного обучения ИИ по распознаванию образов для количественной оценки функций и изменений архитектуры органоидов, что включает в себя такие процессы, как автокодирование, обнаружение сигналов с использованием моделей последовательности и временных рядов, деконволюция образцов сигналов от фоновых шумов, интеграция датчиков для ускорения обработки на основе несамостоятельного машинного обучения и сокращения размеров. Цель - составить карту входных и выходных неврологических связей органоидов.
Синтетический биологический интеллект с помощью биокомпьютинга
Биокомпьютинг (или биологические вычисления) - это альтернатива вычислениям на основе кремния. Осенью прошлого года Бретт Каган, главный научный сотрудник Cortical Labs, и его коллеги-исследователи представили первый синтетический биологический интеллект, демонстрирующий адаптивное поведение в реальном времени, под названием "DishBrain", систему клеток мозга, выращенную в лабораторной посуде, которая научилась играть в компьютерный игровой мир, вдохновленный классической аркадной игрой "Pong". Каган является соавтором данного исследования.
"Мы ожидаем, что биокомпьютерные системы на основе ОИ позволят быстрее принимать решения, непрерывно обучаться во время выполнения задач, а также повысят эффективность использования энергии и данных", - пишут ученые. "Кроме того, разработка "интеллекта в блюде" может помочь выяснить патофизиологию разрушительных болезней развития и дегенеративных заболеваний (таких как деменция), потенциально способствуя определению новых терапевтических подходов для решения основных глобальных неудовлетворенных потребностей".
Интерфейс мозг-компьютер нового поколения
Одним из ключевых факторов создания интеллектуальных систем на основе органоидов является возможность регистрации электрофизиологических выходов для двунаправленной обработки данных между сложными нейронными блоками. Для успешного создания ОИ необходим новый тип интерфейса мозг-компьютер (BCI), также известный как интерфейс мозг-машина (BMI), который может записывать нейронную активность с 3D органоидов мозга.
"Технологии интерфейса "мозг-машина" разрабатываются уже как минимум два десятилетия, но остаются примитивными", - пишут исследователи. "Микроэлектродные массивы (МЭА) составляют основу многих таких интерфейсов, поскольку они могут использоваться как для стимуляции, так и для записи, и обеспечивают беспрецедентный параллелизм и возможность индивидуальной адресации. Однако большинство из них преимущественно имеют формат двумерных чипов, предназначенных для использования с монослойными клеточными культурами. Это представляет собой вероятную проблему, поскольку органоиды мозга являются сферическими трехмерными структурами, которые имеют ограниченный контакт с двухмерным чипом MEA".
Исследователи также отмечают, что большинство 2D электродных чипов негибкие, что снижает качество записи из-за неправильного прилегания между жестким электродным чипом и мозгом.
Для создания органоидных интеллектуальных систем ученые планируют создать новый тип гибкого интерфейса 3D микроэлектродных массивов, вдохновленный электроэнцефалограммами (ЭЭГ), напоминающими шапочки для плавания, которые регистрируют активность мозга неинвазивно с помощью небольших электродов, размещенных на поверхности кожи головы. Ученые планируют выращивать органоиды внутри оболочки, покрытой многоэлектродными наноструктурами и зондами. Эта оболочка с супермягким покрытием должна быть гибкой, самоскладывающейся и сгибающейся, чтобы обеспечить 3D пространственно-временную стимуляцию высокого разрешения и запись активности по всей поверхности органоида.
"В конечном счете, мы стремимся к революции в биологических вычислениях, которая может преодолеть многие ограничения вычислений и ИИ на основе кремния и иметь значительные последствия во всем мире", - пишут ученые.
Источник: https://www.psychologytoday.com/us/blog/the-future-brain/202303/will-ai-and-human-brain-cells-power-future-biocomputers
