במקביל להתפתחויות האחרונות בתחום למידת מכונה כמו GPT-4 , קבוצת מדענים הציעה לאחרונה שימוש ברקמה עצבית עצמה , שגדלה בקפידה כדי ליצור מחדש את המבנים של מוח החיות, כמצע חישובי.
אחרי הכל, אם בינה מלאכותית שואבת השראה ממערכות נוירולוגיות, איזה מדיום טוב יותר לבצע מחשוב מאשר מערכת נוירולוגית אמיתית? המחברים אוספים פיתוחים מתחומי מדעי המחשב, הנדסת חשמל, נוירוביולוגיה, אלקטרופיזיולוגיה ופרמקולוגיה, ומציעים יוזמה מחקרית חדשה שהם מכנים "אינטליגנציה אורגנואידית".
ה OI הוא מאמץ קולקטיבי לקדם את השימוש באורגנואידים במוח - מסות כדוריות זעירות של רקמת מוח שגדלו מתאי גזע - לצורך חישוב, מחקר תרופות וכמודל לחקור בקנה מידה קטן כיצד מוח שלם עשוי לתפקד.
במילים אחרות, אורגנואידים מספקים הזדמנות להבין טוב יותר את המוח, ו-OI שואפת להשתמש בידע הזה כדי לפתח מערכות חישוביות נוירו-ביולוגיות שלומדות מפחות נתונים ועם פחות אנרגיה מאשר חומרת סיליקון.
הפיתוח של אורגנואידים התאפשר על ידי שתי פריצות דרך ביו-הנדסיות: תאי גזע פלוריפוטנטיים המושרים וטכניקות גידול תאים תלת מימדיים.
בהתייחס לתחום הקיים של מחשוב נוירומורפי , שבו מבנה הנוירונים והקשרים ביניהם נלמדים ומחקים בארכיטקטורות סיליקון, OI מרחיב את האנלוגיה ההנדסית עם ההזדמנות לתכנת ישירות התנהגויות רצויות לתוך פעילות הירי של תרביות מוח-תאים של בעלי חיים.
אורגנואידים מודדים בדרך כלל קוטר של 500 מיקרומטר - בערך עובי הציפורן שלך. כאשר אורגנואידים מתפתחים, אומרים החוקרים, הנוירונים המרכיבים אותם מתחילים להתחבר ברשתות ובדפוסי פעילות המחקים את המבנים של אזורי מוח שונים.
הפיתוח של תחום האורגנואידים התאפשר בזכות שתי פריצות דרך ביו-הנדסיות: תאי גזע פלוריפוטנטיים המושרים(IPSCs) וטכניקות תלת-ממד להתרבות תאים. IPSCs הם תאי גזע - במיוחד המסוגלים להתפתח לכל תא שנמצא בגוף של בעל חיים - שנוצרים על ידי הפיכת תא בוגר חזרה לתא הגזע. תאי גזע אלה משולבים ביוכימית לתוך הנוירונים והגליות הספציפיות הדרושים לבניית אורגנואיד נתון. שיטות פיגום תלת מימד שפותחו לאחרונה מאפשרות לביולוגים לגדל רקמות עצביות שמקורן ב-iPSC אנכית וגם אופקית, מה שמאפשר לאורגנואידים לפתח את הרשתות הפנימיות הנראות במוח של בעל חיים. מדענים חקרו תרבויות דו-ממדיות במשך עשרות שנים, אך רקמות חד-שכבתיות אינן מסוגלות לצמוח לרשתות דמויות מוח באופן שבו אורגנואידים יכולים.
רשתות הופכות את האורגנואידים למודל רב עוצמה להבנה ולניצול פוטנציאלי של הדינמיקה של פעילות המוח. Jens Schwamborn , פרופסור לביולוגיה תאית והתפתחותית באוניברסיטת לוקסמבורג, משתמש באורגנואידים כדי לחקור התפתחות של הפרעות נוירולוגיות כמו מחלת פרקינסון.
"סיכמנו את המאפיינים העיקריים של הפתולוגיה. אנו יכולים לראות אובדן של נוירונים דופמינרגיים, אנו רואים הופעה של אגרגטים חלבונים שרלוונטיים למחלה", אמר שוומבורן, שהמעבדה שלו פיתחה מודל אורגנואידי של פרקינסון. פלטפורמות אלו מאפשרות לחוקרים לחקור, בקנה מידה קטן, את התפתחות פרקינסון בהקשר של רשת שתרבויות חד-שכבתיות אינן יכולות להתקיים בה. "זה היתרון הגדול", אומר שוורנבורן. "אנו יכולים לראות מאפיינים של המחלה שאנו יודעים שמתרחשים בחולים, אך עד כה לא הצלחנו להשיב במעבדה. עכשיו, סוף סוף, אנחנו יכולים לעשות את זה".
"אנחנו לא מלמדים את התאים איך לעשות את זה. [אורגנואידים] מסתיימים בארגון של מבנים במוח. אני חושב שזה הכוח: כוח החישוב מגיע מהארגון הזה".Alysson Muotri, University of California, San Diego
בדיוק כפי שאורגנואידים עצמם הם תוצר של התקדמות הביו-הנדסה, השימוש בהם כמודלים לתפקוד נוירולוגי הוא תוצר של כמה חידושים ביוכימיים אחרים - אלקטרופיזיולוגיה ומיקרופלואידיקה. חוקרים יכולים כעת להנחות את התפתחות האורגנואידים בצורה מהימנה ומדויקת יותר ממה שהם יכלו אפילו לפני חצי עשור, ויכולים להשתמש בספציפיות זו כדי ליצור אורגנואידים המחקים את מבנה הרשת ואת הרכב הסלולר של מבנים קליפת המוח ותת-קורטיקליים ספציפיים. Alysson Muotri,,פרופסור לרפואת ילדים ורפואה מולקולרית באוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו, מאמין שמבנים אלה עשויים לספק להם את יכולות עיבוד המידע של רקמת המוח.
"בתלת מימד אתה רואה את כל הארגון הנוסף הזה שאתה לא רואה בדו מימד. זה מקודד גנטית. אנחנו לא מלמדים את התאים איך לעשות את זה. הם מסתיימים בארגון של מבנים במוח. אני חושב שזה הכוח: כוח החישוב מגיע מהארגון הזה".
העובדה שיש לנו אורגנואידים עקביים ובר-קיימא מאפשרת למדענים לבצע מדידות משמעותיות של פעילות הנוירונים בתוכם. מערכי רב אלקטרודים (MEA) הם לוחות של אלקטרודות זעירות המסוגלות למדוד ולעורר את הפעילות החשמלית של נוירונים ליד פני השטח של אורגנואיד. MEAs גמישים שיכולים לעטוף מסה אורגנואידית מסוגלים להקליט מכל פני השטח, במקום רק השכבה התחתונה של נוירונים במגע עם צלחת הפטרי.
על ידי ניתוח ההקלטות הללו, מדענים יכולים להסיק כיצד כל הנוירונים האלה מדברים זה עם זה. באמצעות סט של טכניקות עיבוד אותות הנקראות מודלים סיבתיים, חוקרים יכולים לייצר מפות של קשרים בין נוירונים המרכיבים רשתות של מבנה פונקציונלי אורגני. לאחר מכן ניתן להשתמש במפות הרשת הללו כדי להתחקות אחר אופן עיבוד המידע על ידי המסה המתפתחת של רקמה עצבית.
על ידי התניה של אוכלוסיות נוירונים בתוך אורגנואידים כך שיגיבו באופן עקבי וצפוי לתשומות חשמליות מוגדרות, מדענים משערים שהם יכולים להפוך מערכות אורגנואידיות ליחידות עיבוד אורגניות שעשויות למנף את יכולות עיבוד המידע לכאורה של רקמה עצבית ליצירת מערכות מחשוב גמישות וחזקות.
דוגמא מרתקת היא Cortical Labs , סטארט-אפ ביוטק מבוסס מלבורן, משיק את Dishbrain, פלטפורמת המחשוב הנוירו-ביולוגית הראשונה כזו הניתנת לאימון. החברה שואפת לספק תרבויות עצביות דו-ממדיות חד-שכבתיות ניתנות לתכנות - שכבר הוכח כי הן לומדות באופן מהימן דפוסי קלט/פלט דיגיטליים כגון משחק הווידאו הקלאסי Pong - למשתמשי קצה כשירות ענן. Brett Kagan, מנהל המדע הראשי של החברה, אומר שהחברה מתכננת להפעיל את השירות עד סוף השנה.
"צריכה להיות לנו, לפני סוף השנה הנוכחית, מערכת בטא שאנשים יוכלו, בין אם על ידי ענן או על ידי שיתוף פעולה איתנו לשימוש פנימי, להיכנס ולהיות מסוגלים להפעיל סביבות בסיסיות מאוד"
בעוד שמערכות מחשוב אורגנואיד-על-שבב דומות עדיין אינן זמינות, צוות OI אופטימי לגבי קצב ההתקדמות שלהם. פרופסור מוטרי סבור שאולי נראה מערכות מחשוב אורגנואידיות שפותחו במהלך העשור. "אולי נראה אב טיפוס בשנתיים-שלוש הקרובות", אמר. "כדי שהדברים יהיו ניתנים לשחזור, עם כל הכלים שנצטרך - זה ייקח חמש או 10 שנים."
המחקר של הקבוצה פורסם לאחרונה בכתב העת Frontiers in Neuroscience .