3 Gründe, warum Hirnorganoide so wichtig sind

Organoide zählen aktuell zu den sich am schnellsten entwickelnden Forschungsgebieten. Ihre Weiterentwicklung erfolgt auf vielfältige und gleichermaßen faszinierende Weise. Wir stellen hier drei vielversprechende neue Ansätze vor, die ihr Potenzial erheblich steigern, sie mit künstlicher Intelligenz konkurrieren lassen und möglicherweise sogar zur Prävention neurodegenerativer Erkrankungen beitragen können.

Was sind Organoide?

Organoide (oder Assembloide) sind funktionsfähige Ansammlungen von Neuronen, die in vitro, meist aus Hautstammzellen, gezüchtet werden. Diese relativ komplexen, lebenden Gehirnstrukturen, die tierischen oder menschlichen Ursprungs sein können, dienen der Erforschung neuronaler Mechanismen im Labor, außerhalb des eigentlichen Gehirns.

Zum Missfallen der Neurowissenschaftler werden sie in den Medien oft als „Mini-Gehirne“ oder „Gehirne in der Petrischale“ bezeichnet, was nicht zutreffend ist, da sie in der Regel extrem klein sind und ihre Komplexität wesentlich einfacher ist als die des menschlichen Gehirns.

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

1. Synthese des menschlichen und tierischen Gehirns

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

Der Forschungswert von Organoiden ist durch ihre begrenzte Größe und Komplexität stark eingeschränkt. Um dieses Problem zu überwinden, wurde in einem in Nature veröffentlichtenmenschliche Cortex-Organoide in lebende Rattenhirne transplantiert (siehe Abbildung oben).

Sechs Monate nach der Integration erreichten die menschlichen Neuronen einen neuen Reifegrad und wuchsen sechsmal so groß wie in vitro möglich. Ihre Aktivität ahmte einige der komplexeren Verhaltensweisen, die im menschlichen Gehirn beobachtet werden, besser nach.

In einem Folgeexperiment aktivierten die Forscher gezielt die gentechnisch veränderten menschlichen Neuronen mithilfe der Optogenetik und konnten so erfolgreich beeinflussen, wie häufig die Ratten nach einer Belohnung suchten. Das heißt, sie steuerten menschliche Gehirnzellen im Gehirn einer Ratte, um deren Verhalten zu kontrollieren.

Dieser Ansatz eröffnet die Möglichkeit, komplexe menschliche Gehirnsysteme aus Stammzellen mit begrenzten technologischen Ressourcen zu züchten. Obwohl faszinierend, birgt dieses neue Gebiet der biologischen Forschung, und sogar die Biologie selbst, möglicherweise ethische Komplikationen, darunter die Frage der Klassifizierung eines solchen Hybridorganismus.

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

2. Synthetisch-biologisches Bewusstsein

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

Im Vergleich zur Synthese von Organoiden zu verschiedenen biologischen Gehirnen beschreitet diese Forschung einen völlig neuen, aber ebenso faszinierenden Weg, indem sie eine Mischung aus menschlichen und Nagetier-Organoiden direkt mit Computern verbindet. Dieses als „synthetische biologische Intelligenz“ (SBI) bezeichnete Verfahren hat zum Ziel, diese ehemals unterschiedlichen Intelligenzformen synergistisch zu vereinen.

Insbesondere versuchten die Forscher, die in Organoiden vorhandene Komplexität dritter Ordnung, die in der traditionellen Informatik bisher nicht erreichbar war, in die neuronale Kultur zu übertragen. Darüber hinaus sollte die formale Definition von Empfindungsfähigkeit in neuronalen Kulturen erreicht und sensorisches Feedback-Lernen effektiv demonstriert werden.

In dieser Studie wurden die in vitro kultivierten Organoide über ein hochdichtes Multielektroden-Array mit computergestützten Berechnungen integriert. Mithilfe eines geschlossenen Regelkreises und strukturierter Rückkopplung durch elektrophysiologische Stimulation wurde das Experiment „BrainDish“ in eine Simulation des bekannten Computerspiels Pong eingebettet.

Die Fähigkeit von Neuronenverbänden, adaptiv auf äußere Reize zu reagieren, ist die Grundlage allen tierischen Lernens. Obwohl dieses erste Experiment eine sehr einfache Simulation darstellt, hat es intelligentes und empfindungsfähiges Verhalten in einer simulierten Spielwelt durch zielgerichtetes Handeln demonstriert.

Dieser Ansatz eröffnet einen vielversprechenden neuen Forschungsweg, um Theorien zur Interaktion des Gehirns mit der Welt zu stützen oder infrage zu stellen und Intelligenz im Allgemeinen zu erforschen. Er könnte auch ein Allheilmittel für die Bewältigung der zentralen Herausforderungen bei der Entwicklung künstlicher Intelligenz jenseits des menschlichen Niveaus sein, da Neuronen über verschiedene Lerneigenschaften verfügen, die wir in Computern bisher nicht nachbilden konnten.

Studie: In vitro Neuronen lernen und zeigen Empfindungsfähigkeit, wenn sie in eine simulierte Spielwelt eingebettet werden, Brett J. Kagan et al.

3. OI – Ein neuer Weg zur Entwicklung von Intelligenz

Unsere ersten beiden Beispiele zeigen, wie Organoide andere evolutionäre Wege beschreiten als ursprünglich von Neurowissenschaftlern angenommen. Doch selbst die traditionelle Organoidforschung steckt noch in den Kinderschuhen, und das wird sich voraussichtlich schnell ändern.

Es gibt viele vielversprechende Methoden, um ihre Größe, Komplexität und funktionelle Spezialisierung zu erhöhen und gleichzeitig ihre praktische Anwendbarkeit in der Petrischale zu erhalten. Daher zählen Hirnorganoide aktuell zu den spannendsten Forschungsgebieten der Bioinformatik.

Obwohl sie von den traditionellen Ansätzen der maschinellen Intelligenz weitgehend unbeachtet bleibt, entwickelt sich die „Organoid-Intelligenz“ (OI) zu einem potenziellen Kandidaten für den schnellsten Weg zum heiligen Gral der künstlichen allgemeinen Intelligenz (AGI).

Ein Konsortium aus mehr als 20 führenden Wissenschaftlern auf diesem Gebiet hat kürzlich eine umfassende, wegweisende Arbeit zur Weiterentwicklung der Organoidforschung veröffentlicht.

Hier sind 6 zentrale Behauptungen, die sie aufstellen.

1. Biologisches Rechnen (oder Biocomputing) könnte schneller, effizienter und leistungsfähiger sein als siliziumbasiertes Rechnen und KI und benötigt nur einen Bruchteil der Energie.

2. „Organoid Intelligence“ (OI) beschreibt ein aufstrebendes multidisziplinäres Forschungsfeld, das sich mit der Entwicklung biologischer Computertechnologien unter Verwendung von 3D-Kulturen menschlicher Gehirnzellen (Gehirnorganoide) und Gehirn-Maschine-Schnittstellentechnologien befasst.

3. OI erfordert die Skalierung der derzeitigen Hirnorganoide zu komplexen, langlebigen 3D-Strukturen, die mit Zellen und Genen angereichert sind, die mit dem Lernen in Verbindung stehen, und die Verbindung dieser mit Eingabe- und Ausgabegeräten der nächsten Generation sowie KI-/maschinellen Lernsystemen.

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

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

6. Um sicherzustellen, dass sich OI auf ethisch und sozial verantwortungsvolle 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 zurückmelden, um zukünftige Forschung und Arbeit zu gestalten.

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

Diese Zellansammlungen werden wesentlich größer sein und dreidimensional wachsen, wodurch die darin enthaltenen Neuronen deutlich mehr Verbindungen herstellen können.

Diese Technologie erfordert die Zusammenarbeit zahlreicher wissenschaftlicher Disziplinen, um überhaupt erst praktikabel zu werden. Während einige Forscher daran arbeiten, Organoide auf die Größe von 10 Millionen Zellen zu züchten – eine Größe, die Wissenschaftler schätzen, damit sie auch nur annähernd wie ein menschliches Gehirn funktionieren können –, entwickeln andere Technologien, die es ermöglichen, mit einem Zellhaufen zu kommunizieren und von diesem antworten zu lassen.

Ein wichtiger Schritt in dieser wechselseitigen Kommunikation wurde vor kurzem durch die Entwicklung einer Art EEG-Kappe für Organoide erreicht. Dabei handelt es sich um eine flexible Hülle, die dicht mit winzigen Elektroden bedeckt ist, die sowohl Signale vom Organoid aufnehmen als auch Signale an es senden können.

Doch die Forscher verfolgen nicht nur das Ziel, einen sehr leistungsstarken Computer zu bauen. Sie hoffen auch, diese OI-Computer zur Analyse neurologischer Erkrankungen und zur Unterstützung von Patienten einsetzen zu können.

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

Sie könnten durch die von ihnen mitentwickelten Behandlungsmethoden menschliches Leid und Krankheiten lindern und das Leben von Tausenden von Tieren retten, die derzeit für die Humanforschung geopfert werden.

Studie: Organoidintelligenz (OI): die neue Grenze in der Bioinformatik und Intelligenz-in-der-Schale, L Smirnova, et. al.

Wie steht es mit der Ethik von Organoiden?

Im April 2021 veröffentlichten die US-amerikanischen Nationalen Akademien der Wissenschaften, der Ingenieurwissenschaften und der Medizin einen Bericht, in dem sie feststellten, dass Mini-Gehirne zwar derzeit noch unbedeutend in Größe, Komplexität und Reife seien, aber niemand garantieren könne, dass sie nicht irgendwann eine Art menschenähnliches Bewusstsein entwickeln würden.

Sollte dies eintreten, könnte die zunehmende Komplexität von Organoiden zu einem ethischen Dilemma werden und ihre Weiterentwicklung behindern. Gleichzeitig wäre dies jedoch die erste wirkliche Begegnung mit nicht-menschlichem, aber menschenähnlichem Bewusstsein– ein Meilenstein an sich.

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