Inteligencia organoide: computación en el cerebro

En paralelo a los desarrollos recientes en el aprendizaje automático como GPT-4, un grupo de científicos ha propuesto recientemente el uso del propio tejido neural, cuidadosamente cultivado para recrear las estructuras del cerebro animal, como sustrato computacional. Después de todo, si la IA está inspirada en los sistemas neurológicos, ¿qué mejor medio para hacer computación que un sistema neurológico real? Reuniendo desarrollos de los campos de la informática, la ingeniería eléctrica, la neurobiología, la electrofisiología y la farmacología, los autores proponen una nueva iniciativa de investigación que denominan “inteligencia organoide”.

OI es un esfuerzo colectivo para promover el uso de organoides cerebrales (pequeñas masas esféricas de tejido cerebral cultivadas a partir de células madre) para computación, investigación de fármacos y como modelo para estudiar a pequeña escala cómo puede funcionar un cerebro completo. En otras palabras, los organoides brindan la oportunidad de comprender mejor el cerebro, y OI tiene como objetivo utilizar ese conocimiento para desarrollar sistemas computacionales neurobiológicos que aprendan de menos datos y con menos energía que el hardware de silicio.

El desarrollo de organoides ha sido posible gracias a dos avances de bioingeniería: células madre pluripotentes inducidas y técnicas de cultivo de células en 3D.

Tomando el campo existente de la computación neuromórfica, donde la estructura de las neuronas y las conexiones entre ellas se estudian e imitan en arquitecturas de silicio, OI amplía la analogía de la ingeniería con la oportunidad de programar directamente los comportamientos deseados en la actividad de activación de cultivos de células cerebrales animales.

Los organoides suelen medir 500 micrones de diámetro, aproximadamente el grosor de una uña. A medida que se desarrollan los organoides, dicen los investigadores, las neuronas constituyentes de los organoides comienzan a interconectarse en redes y patrones de actividad que imitan las estructuras de diferentes regiones del cerebro. El desarrollo del campo de los organoides ha sido posible gracias a dos avances de bioingeniería: las células madre pluripotentes inducidas (IPSC) y las técnicas de cultivo de células en 3D. Las IPSC son células madre, notablemente capaces de convertirse en cualquier célula que se encuentre en el cuerpo de un animal, que se crean al convertir una célula adulta en la célula madre. Estas células madre inducidas luego se inducen bioquímicamente a las neuronas específicas y la glía necesarias para construir un organoide determinado. Los métodos de andamiaje 3D desarrollados más recientemente permiten a los biólogos cultivar tejidos neurales derivados de iPSC tanto vertical como horizontalmente, lo que permite que los organoides desarrollen las redes interneuronales que se ven en el cerebro de un animal. Los científicos han estudiado cultivos 2D durante décadas, pero los tejidos monocapa no pueden convertirse en redes similares a cerebros de la forma en que lo hacen los organoides.

Las redes hacen de los organoides un modelo poderoso para comprender y explotar potencialmente la dinámica de la actividad cerebral. Jens Schwamborn, profesor de biología celular y del desarrollo en la Universidad de Luxemburgo, utiliza organoides para estudiar el desarrollo de trastornos neurológicos como la enfermedad de Parkinson. “Hemos recapitulado las características clave de la patología. Podemos ver la pérdida de neuronas dopaminérgicas, vemos la aparición de agregados de proteínas que son relevantes para la enfermedad”, dijo Schwamborn, cuyo laboratorio ha desarrollado un modelo organoide del Parkinson. Estas plataformas les permiten estudiar, a pequeña escala, el desarrollo de Parkinson en un contexto de red celular que los cultivos monocapa no pueden: “Esa es la gran ventaja. Podemos ver las características de la enfermedad que sabemos que están ocurriendo en los pacientes pero que hasta ahora no hemos podido recapitular en el laboratorio. Ahora, finalmente, podemos hacer eso”.

“No estamos enseñando a las células cómo hacerlo. [Organoids] terminan con la organización de estructuras en el cerebro. Creo que ese es el poder: el poder computacional proviene de esa organización”.
—Alysson Muotri, Universidad de California, San Diego

Así como los propios organoides son el producto de los avances de la bioingeniería, su utilidad como modelos para la función neurológica es el producto de varias otras innovaciones bioquímicas: la electrofisiología y la microfluídica. Los investigadores ahora pueden guiar el desarrollo de organoides de manera más confiable y precisa que hace media década, y pueden usar esa especificidad para crear organoides que imitan la estructura de la red y la composición celular de estructuras corticales y subcorticales específicas. Alysson Muotri, profesora de pediatría y medicina molecular en la Universidad de California en San Diego, cree que estas estructuras pueden proporcionarles las capacidades de procesamiento de información del tejido cerebral. “En 3D, ves toda esta organización adicional que no ves en 2D. Esto está codificado genéticamente. No estamos enseñando a las células cómo hacerlo. Terminan con la organización de estructuras en el cerebro. Creo que ese es el poder: el poder computacional proviene de esa organización”.

Tener organoides consistentes y sostenibles también permite a los científicos tomar medidas significativas de la actividad de las neuronas dentro de ellos. Las matrices de electrodos múltiples (MEA) son paneles de pequeños electrodos capaces de medir y estimular la actividad eléctrica de las neuronas cerca de la superficie de un organoide. Los MEA flexibles que pueden envolver una masa organoide son capaces de registrar toda la superficie, en lugar de solo la capa inferior de neuronas en contacto con la placa de Petri. Al analizar esas grabaciones, los científicos pueden inferir cómo todas esas neuronas se comunican entre sí. A través de un conjunto de técnicas de procesamiento de señales llamadas modelos causales, los investigadores pueden producir mapas de conexiones entre neuronas que componen redes de estructura funcional organoide. Estos mapas de red se pueden usar para rastrear cómo la información es procesada por la masa de tejido neural en desarrollo.

Al acondicionar las poblaciones de neuronas dentro de los organoides para que respondan de manera consistente y predecible a las entradas eléctricas establecidas, los científicos plantean la hipótesis de que pueden convertir los sistemas de organoides en unidades de procesamiento orgánico que pueden aprovechar las aparentes capacidades de procesamiento de información del tejido neuronal para crear sistemas informáticos flexibles y potentes.

Cortical Labs, una startup de biotecnología con sede en Melbourne, está lanzando Dishbrain, la primera plataforma informática neurobiológica entrenable de este tipo. La empresa tiene como objetivo proporcionar cultivos neuronales 2D monocapa programables, que ya se ha demostrado que aprenden de manera confiable patrones de entrada/salida digital, como jugar al clásico videojuego pong, para los usuarios finales como un servicio en la nube. Brett Kagan, director científico de la compañía, dice que la empresa planea tener el servicio funcionando para fin de año: “Deberíamos tener, antes de fin de año, un sistema beta para que la gente pueda hacerlo, ya sea mediante la nube o asociándose”. con nosotros para uso interno, inicie sesión y pueda ejecutar entornos muy básicos”, dijo.

Si bien aún no están disponibles sistemas informáticos similares de organoide en chip, el equipo de OI es optimista sobre su tasa de progreso. El profesor Muotri cree que podemos ver sistemas de computación organoide desarrollados dentro de la década: “Podríamos ver un prototipo en los próximos dos o tres años”, dijo. “Para que las cosas se vuelvan más reproducibles, con todas las herramientas que necesitaremos, serán 5 o 10 años”.

La investigación del grupo se publicó recientemente en la revista Fronteras en Neurociencia.