3 Gründe, warum Gehirnorganoide eine große Sache sind

Organoide sind derzeit einer der sich am schnellsten entwickelnden Bereiche der Wissenschaft. Sie werden auch auf viele verschiedene, aber gleichermaßen faszinierende Arten weiterentwickelt. Hier befassen wir uns mit den drei wichtigsten aufkommenden Ansätzen, die versprechen, ihre Leistung erheblich zu steigern, mit der maschinellen Intelligenz zu konkurrieren und möglicherweise Geheimnisse zur Vorbeugung neurodegenerativer Erkrankungen zu entschlüsseln.

Was sind Organoide?

Organoide (oder Assembloide ) sind funktionierende Cluster von Neuronen, die in vitro gezüchtet werden, normalerweise aus hautbasierten Stammzellen. Diese relativ komplexen lebenden Gehirnformationen, die tierisch oder menschlich sein können, werden zur Untersuchung der neuronalen Mechanik im Labor außerhalb eines tatsächlichen Gehirns verwendet.

Zum Missfallen von Neurowissenschaftlern werden sie in den Medien oft als „Mini-Gehirne“ oder „Gehirne in einer Schüssel“ bezeichnet, was nicht korrekt ist, da sie normalerweise extrem klein sind und ihre Komplexität weitaus einfacher ist als die des menschlichen Gehirns.

Allerdings werden, wie wir hier besprechen werden, verschiedene Methoden entwickelt, um ihre Größe und funktionale Komplexität erheblich zu erhöhen.

1. Mensch-Tier-Gehirnsynthese

Zum ersten Mal in der Geschichte könnten Tiere durch integrative Gehirntransplantationen einige Aspekte der menschlichen Intelligenz erwerben.

Der Forschungswert von Organoiden wird durch die Größe und Komplexität, zu der sie heranwachsen können, stark begrenzt. Um dieses Problem zu lösen, wurden in einem neuen, in „Nature“ veröffentlichten menschliche Kortexorganoide in lebende Rattengehirne transplantiert (siehe Abbildung oben).

Sechs Monate nach der Integration erreichten die menschlichen Neuronen eine neue Reifungsordnung und wuchsen sechsmal so groß, wie es in vitro möglich war. Ihre Aktivität ahmte einige der komplexeren Verhaltensweisen, die im menschlichen Gehirn beobachtet werden, besser nach.

In einem Folgeexperiment feuerten die Forscher mithilfe der Optogenetik gezielt die genetisch veränderten menschlichen Neuronen an und konnten so erfolgreich beeinflussen, wie oft die Ratten nach einer Belohnung suchten. Das heißt, menschliche Gehirnzellen im Gehirn einer Ratte zu kontrollieren, um das Verhalten der Ratte zu kontrollieren.

Dieser Ansatz eröffnet die Möglichkeit, mit begrenzten technologischen Ressourcen komplexe menschliche Gehirnsysteme aus Stammzellen zu züchten. Obwohl faszinierend, kann dieser neue Bereich der biologischen Forschung und sogar der Biologie selbst mit ethischen Komplikationen behaftet sein, einschließlich der Frage, wie ein solcher Hybridorganismus zu klassifizieren ist.

Studie: Reifung und Schaltkreisintegration transplantierter menschlicher kortikaler Organoide , Omer Revah et al.Stu

2. Synthetisch-biologisches Bewusstsein

Dieses Video ist mehr, als man auf den ersten Blick sieht – es ist tatsächlich die erste erfolgreiche Hybridisierung von biologischen Neuronen und Siliziumchips, die lernen, ein simuliertes Spiel zu spielen.

Im Vergleich zur Synthese von Organoiden in verschiedenen biologischen Gehirnen geht diese Forschung in eine völlig neue, aber ebenso verblüffende Richtung, indem sie eine Mischung aus menschlichen/Nagetier-Organoiden direkt mit Computern synthetisiert. Ziel der sogenannten „synthetischen biologischen Intelligenz“ (SBI) ist es, diese einst unterschiedlichen Formen der Intelligenz synergetisch zu verschmelzen.

Insbesondere versuchten die Forscher, die Leistungsfähigkeit der in Organoiden vorkommenden Komplexität dritter Ordnung zu nutzen, die mit herkömmlichen Computern nie erreichbar war. Und darüber hinaus soll die formale Definition der Empfindungsfähigkeit in neuronalen Kulturen erreicht und das Lernen durch sensorisches Feedback effektiv demonstriert werden.

In dieser Studie wurden die In-vitro-Organoide über ein hochdichtes Multielektroden-Array in „In-silico“-Computing integriert. Das „BrainDish“ genannte Experiment nutzte ein strukturiertes Feedback mit geschlossenem Regelkreis durch elektrophysiologische Stimulation und wurde in eine Simulation des legendären Computerspiels Pong eingebettet.

Die Fähigkeit von Neuronen in Anordnungen, adaptiv auf äußere Reize zu reagieren, ist die Grundlage allen tierischen Lernens. Obwohl es sich bei diesem ersten Experiment um eine sehr einfache Simulation handelt, hat es durch zielgerichtetes Verhalten intelligentes und empfindungsfähiges Verhalten in einer simulierten Spielwelt demonstriert.

Dieser Ansatz bietet einen vielversprechenden neuen Forschungsweg, um Theorien zu unterstützen oder in Frage zu stellen, die erklären, wie das Gehirn mit der Welt interagiert, und um Intelligenz im Allgemeinen zu untersuchen. Es könnte auch ein Allheilmittel für die Bewältigung der zentralen Herausforderungen sein, denen sich die Entwicklung der maschinellen Intelligenz über die menschliche Ebene hinaus gegenübersieht, da Neuronen über verschiedene Lerneigenschaften verfügen, die wir in Computern noch nicht nachahmen konnten.

Studie: In-vitro-Neuronen lernen und zeigen Empfindungsvermögen, wenn sie in einer simulierten Spielwelt verkörpert werden , Brett J. Kagan et al.

3. OI – Ein neuer Weg zur Entwicklung von Intelligenz

Unsere ersten beiden Beispiele führen Organoide auf andere Evolutionspfade als ursprünglich von Neurowissenschaftlern angenommen. Allerdings steckt selbst der traditionelle Bereich der Organoidwissenschaft noch in den Kinderschuhen, und das wird sich schnell ändern.

Es gibt viele vielversprechende Methoden, um deren Umfang, Komplexität und funktionale Spezialisierung zu erhöhen und gleichzeitig ihren praktischen Zugang innerhalb einer Laborschale beizubehalten. Daher sind Gehirnorganoide derzeit einer der spannendsten Forschungsbereiche im Bioinformatikbereich.

Obwohl die „Organoide Intelligenz“ (OI) unter dem Radar traditioneller Ansätze der maschinellen Intelligenz bleibt, entwickelt sie sich zu einem potenziellen Anwärter auf den schnellsten Weg zum Heiligen Gral der künstlichen allgemeinen Intelligenz (AGI).

Ein Konsortium aus mehr als 20 führenden Wissenschaftlern auf diesem Gebiet hat kürzlich ein umfassendes wegweisendes Papier zur Weiterentwicklung der Organoidwissenschaft veröffentlicht.

Hier sind 6 Schlüsselaussagen, die sie postulieren.

1. Biologisches Computing (oder Biocomputing) könnte schneller, effizienter und leistungsfähiger sein als Silizium-basiertes Computing und KI und benötigt nur einen Bruchteil der Energie.

2. „Organoide Intelligenz“ (OI) beschreibt ein aufstrebendes multidisziplinäres Feld, das sich der Entwicklung biologischer Computer unter Verwendung von 3D-Kulturen menschlicher Gehirnzellen (Gehirnorganoide) und Gehirn-Maschine-Schnittstellentechnologien widmet.

3. OI erfordert die Skalierung bestehender Gehirnorganoide in komplexe, langlebige 3D-Strukturen, die mit Zellen und Genen angereichert sind, die mit dem Lernen in Verbindung stehen, und deren Verbindung mit Eingabe- und Ausgabegeräten der nächsten Generation sowie KI-/maschinellen Lernsystemen.

4. OI erfordert neue Modelle, Algorithmen und Schnittstellentechnologien, um mit Gehirnorganoiden zu kommunizieren, zu verstehen, wie sie lernen und rechnen, und um die riesigen Datenmengen, die sie generieren werden, zu verarbeiten und zu speichern.

5. OI-Forschung könnte auch unser Verständnis der Gehirnentwicklung, des Lernens und des Gedächtnisses verbessern und möglicherweise dazu beitragen, Behandlungen für neurologische Störungen wie Demenz zu finden.

6. Um sicherzustellen, dass sich OI in einer ethisch und sozial verträglichen Weise entwickelt, ist ein Ansatz der „eingebetteten Ethik“ erforderlich, bei dem interdisziplinäre und repräsentative Teams aus Ethikern, Forschern und Mitgliedern der Öffentlichkeit ethische Fragen identifizieren, diskutieren und analysieren und diese in die zukünftige Forschung einfließen lassen und arbeiten.

Kurz gesagt, diese Forscher hoffen, Proben menschlichen Gewebes zu verwenden, um immer leistungsfähigere Ansammlungen von Gehirnzellen zu züchten und zu manipulieren, die sie anstelle von Standard-Silizium-Computerchips verwenden könnten.

Diese Zellhaufen werden viel größer sein und in drei Dimensionen wachsen, was es den Neuronen in ihnen ermöglicht, deutlich mehr Verbindungen herzustellen.

Es handelt sich um eine Technologie, für deren Umsetzung viele wissenschaftliche Disziplinen erforderlich sind. Während einige Forscher daran arbeiten, Organoide auf die Größe von 10 Millionen Zellen zu züchten, die nach Schätzungen von Wissenschaftlern erforderlich sind, um irgendwo in der Nähe eines menschlichen Gehirns zu funktionieren, entwickeln andere Technologien, die es uns ermöglichen würden, mit einem Zellklumpen zu kommunizieren Lassen Sie diesen Klumpen zurückkommunizieren.

Ein wichtiger Schritt in dieser wechselseitigen Kommunikation wurde kürzlich durch die Entwicklung einer Art EEG-Haube für Organoide erreicht, bei der eine flexible Hülle verwendet wird, die dicht mit winzigen Elektroden bedeckt ist, die sowohl Signale vom Organoid aufnehmen als auch an ihn weiterleiten können.

Doch der Bau eines sehr leistungsfähigen Computers ist nicht das einzige Ziel dieser Forscher. Sie hoffen auch, mit diesen OI-Computern neurologische Erkrankungen zu analysieren und Patienten zu helfen.

Der führende Organoidforscher Thomas Hartung fasste zusammen: „Wir könnten beispielsweise die Gedächtnisbildung in Organoiden von gesunden Menschen und von Alzheimer-Patienten vergleichen und versuchen, relative Defizite zu beheben.“ Mit OI könnten wir auch testen, ob bestimmte Substanzen, etwa Pestizide, Gedächtnis- oder Lernprobleme verursachen.“

Sie könnten durch die Behandlungen, die sie mitentwickeln, menschliches Leid und Krankheiten lindern und das Leben Tausender Tiere retten, die derzeit für die menschliche Forschung geopfert werden.

Studie: Organoide Intelligenz (OI): die neue Grenze in Biocomputing und Intelligence-in-a-dish , L. Smirnova, et. al.

Wie wäre es mit der Ethik von Organoiden?

Im April 2021 veröffentlichten die US-amerikanischen National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine einen Bericht , in dem es heißt, dass Mini-Gehirne zwar derzeit in Bezug auf Größe, Komplexität und Reife noch unbedeutend sind, mit zunehmender Größe aber niemand garantieren kann, dass sie sich nicht in irgendeiner Form entwickeln des menschlichen Bewusstseins.

Wenn dies der Fall ist, könnte die zunehmende Verfeinerung von Organoiden zu einem ethischen Problem werden und ihre weitere Entwicklung behindern. Dies wäre jedoch auch die erste wirkliche Begegnung eines nichtmenschlichen, aber menschenähnlichen Bewusstseins , was an sich schon ein Meilenstein wäre.

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