Welkom bij de afdeling Onderzoek en Strategie van [bedrijfsnaam] in de snel veranderende wereld van vandaag.
Organoïden vormen momenteel een van de snelst evoluerende wetenschapsgebieden. Ze worden bovendien op veel verschillende, maar even fascinerende manieren verder ontwikkeld. In dit artikel bespreken we drie belangrijke opkomende onderzoeksrichtingen die veelbelovend zijn om hun mogelijkheden aanzienlijk te vergroten, te concurreren met kunstmatige intelligentie en mogelijk geheimen te onthullen voor de preventie van neurodegeneratieve ziekten.
Organoïden (of assembloiden) zijn functionerende clusters van neuronen die in vitro worden gekweekt, meestal uit stamcellen afkomstig van de huid. Deze relatief complexe, levende hersenstructuren, die van dierlijke of menselijke oorsprong kunnen zijn, worden gebruikt om neurale mechanismen in het laboratorium te bestuderen, buiten een echt brein.
Tot grote ergernis van neurowetenschappers worden ze in de media vaak aangeduid als 'mini-hersenen' of 'hersenen in een schaaltje', wat niet correct is, aangezien ze doorgaans extreem klein zijn en hun complexiteit veel eenvoudiger is dan die van het menselijk brein.
Desondanks, en zoals we hier zullen bespreken, worden er verschillende methoden ontwikkeld om hun omvang en functionele complexiteit aanzienlijk te vergroten.
Voor het eerst in de geschiedenis is het mogelijk dat dieren via integratieve hersentransplantaties bepaalde aspecten van menselijke intelligentie verwerven.
De wetenschappelijke waarde van organoïden wordt behoorlijk beperkt door de grootte en complexiteit die ze kunnen bereiken. Om dit probleem te overkomen, is een nieuwe aanpak gepubliceerd in Nature, waarbij organoïden van de menselijke hersenschors zijn getransplanteerd in levende rattenhersenen (zie afbeelding hierboven).
Zes maanden na de integratie bereikten de menselijke neuronen een nieuw stadium van rijping en werden ze zes keer zo groot als wat in vitro mogelijk was. Hun activiteit bootste sommige van de meer geavanceerde gedragingen die in menselijke hersenen worden waargenomen beter na.
In een vervolgexperiment activeerden de onderzoekers specifiek de genetisch gemodificeerde menselijke neuronen met behulp van optogenetica, en slaagden ze erin de frequentie waarmee de ratten een beloning zochten te beïnvloeden. Dat wil zeggen, ze bestuurden menselijke hersencellen in de hersenen van een rat om het gedrag van de rat te controleren.
Deze aanpak biedt de mogelijkheid om complexe menselijke hersensystemen te kweken uit stamcellen met beperkte technologische middelen. Hoewel fascinerend, kan dit nieuwe onderzoeksgebied binnen de biologie, en zelfs de biologie zelf, gepaard gaan met ethische complicaties, bijvoorbeeld met betrekking tot de classificatie van een dergelijk hybride organisme.
Studie: Rijping en circuitintegratie van getransplanteerde menselijke corticale organoïden, Omer Revah et al.
Deze video laat meer zien dan je op het eerste gezicht zou denken: het is namelijk de eerste succesvolle combinatie van biologische neuronen en siliciumchips die samen een gesimuleerd spel leren spelen.
In tegenstelling tot het synthetiseren van organoïden tot verschillende biologische hersenen, slaat dit onderzoek een compleet nieuwe, maar eveneens verbazingwekkende richting in door een mix van menselijke en knaagdierorganoïden rechtstreeks met computers te synthetiseren. Dit wordt 'synthetische biologische intelligentie' (SBI) genoemd, met als doel deze voorheen uiteenlopende vormen van intelligentie synergetisch samen te voegen.
In het bijzonder wilden onderzoekers de kracht van de derde-orde complexiteit die in organoïden voorkomt, benutten, iets wat in de traditionele computerwetenschap nog nooit mogelijk is geweest. Daarnaast wilden ze de formele definitie van bewustzijn in neurale culturen bereiken en zo effectief sensorisch feedbackleren demonstreren.
In deze studie werden de in vitro organoïden geïntegreerd met 'in silico' computerberekeningen via een multi-elektrode-array met hoge dichtheid. Door gebruik te maken van gestructureerde feedback met gesloten lus via elektrofysiologische stimulatie, werd het experiment genaamd 'BrainDish' ingebed in een simulatie van het iconische computerspel Pong.
Het vermogen van neuronen in netwerken om adaptief te reageren op externe prikkels vormt de basis van al het leergedrag bij dieren. Hoewel dit eerste experiment een zeer eenvoudige simulatie is, heeft het intelligent en bewust gedrag in een gesimuleerde spelwereld aangetoond door middel van doelgericht gedrag.
Deze aanpak biedt een veelbelovende nieuwe onderzoeksrichting om theorieën over de interactie tussen de hersenen en de wereld te ondersteunen of te weerleggen, en om intelligentie in het algemeen te bestuderen. Het zou ook een wondermiddel kunnen zijn voor de belangrijkste uitdagingen bij de evolutie van machinale intelligentie voorbij het menselijke niveau, aangezien neuronen verschillende leereigenschappen bezitten die we nog niet in computers hebben kunnen nabootsen.
Studie: In vitro leren neuronen en vertonen bewustzijn wanneer ze zich in een gesimuleerde spelwereld bevinden, Brett J. Kagan et al.
Onze eerste twee voorbeelden laten zien dat organoïden een andere evolutionaire weg bewandelen dan oorspronkelijk door neurowetenschappers werd voorzien. Zelfs het traditionele onderzoeksgebied van organoïden staat echter nog in de kinderschoenen, en dat zal naar verwachting snel veranderen.
Er ontstaan veel veelbelovende methoden om hun schaal, complexiteit en functionele specialisatie te vergroten, terwijl ze tegelijkertijd praktisch toegankelijk blijven in een laboratoriumschaaltje. Hersenorganoïden vormen dan ook momenteel een van de meest boeiende onderzoeksgebieden binnen de biocomputing.
Hoewel 'organoïde intelligentie' (OI) nog grotendeels buiten het blikveld van traditionele benaderingen van machinale intelligentie valt, ontpopt het zich als een potentiële kandidaat voor de snelste route naar de heilige graal van kunstmatige algemene intelligentie (AGI).
Een consortium van meer dan twintig vooraanstaande wetenschappers op dit gebied heeft onlangs een omvangrijk en baanbrekend artikel over het bevorderen van de wetenschap achter organoïden.
Hieronder volgen 6 belangrijke beweringen die zij naar voren brengen.
1. Biologische computertechnologie (of biocomputing) zou sneller, efficiënter en krachtiger kunnen zijn dan op silicium gebaseerde computers en AI, en slechts een fractie van de energie verbruiken.
2. 'Organoïde intelligentie' (OI) beschrijft een opkomend multidisciplinair vakgebied dat zich richt op de ontwikkeling van biologische computertechnologie met behulp van 3D-culturen van menselijke hersencellen (hersenorganoïden) en hersen-machine-interfacetechnologieën.
3. OI vereist het opschalen van de huidige hersenorganoïden naar complexe, duurzame 3D-structuren die verrijkt zijn met cellen en genen die verband houden met leren, en het verbinden hiervan met de volgende generatie invoer- en uitvoerapparaten en AI/machine learning-systemen.
4. OI vereist nieuwe modellen, algoritmen en interfacetechnologieën om te communiceren met hersenorganoïden, te begrijpen hoe ze leren en rekenen, en om de enorme hoeveelheden data die ze zullen genereren te verwerken en op te slaan.
5. OI-onderzoek zou ook ons begrip van hersenontwikkeling, leren en geheugen kunnen verbeteren, wat mogelijk kan helpen bij het vinden van behandelingen voor neurologische aandoeningen zoals dementie.
6. Om ervoor te zorgen dat OI zich op een ethisch en maatschappelijk verantwoorde manier ontwikkelt, is een 'ingebedde ethiek'-aanpak nodig. Hierbij identificeren, bespreken en analyseren interdisciplinaire teams van ethici, onderzoekers en leden van het publiek ethische kwesties en geven ze feedback om toekomstig onderzoek en werk te sturen.
Kort gezegd hopen deze onderzoekers met behulp van menselijk weefsel steeds krachtigere verzamelingen hersencellen te kweken en te manipuleren, die ze vervolgens in plaats van standaard siliciumcomputerchips zouden kunnen gebruiken.
Deze celclusters zullen veel groter zijn en in drie dimensies groeien, waardoor de neuronen erin aanzienlijk meer verbindingen kunnen leggen.
Het is een technologie die veel wetenschappelijke disciplines vereist om van de grond te komen. Terwijl sommige onderzoekers werken aan het kweken van organoïden tot een omvang van 10 miljoen cellen, wat volgens wetenschappers nodig is om ook maar enigszins in de buurt te komen van een menselijk brein, ontwikkelen anderen technologie waarmee we met een groep cellen kunnen communiceren en die groep cellen terug kan communiceren.
Een belangrijke stap in deze tweewegcommunicatie werd onlangs gezet met de ontwikkeling van een soort EEG-kap voor organoïden. Deze kap bestaat uit een flexibele schaal die dicht bedekt is met kleine elektroden die zowel signalen van de organoïde kunnen opvangen als signalen ernaartoe kunnen verzenden.
Maar het bouwen van een zeer krachtige computer is niet het enige doel van deze onderzoekers. Ze hopen deze OI-computers ook te gebruiken om neurologische aandoeningen te analyseren en patiënten te helpen.
Vooraanstaand organoïdenonderzoeker Thomas Hartung vatte het als volgt samen: "We zouden bijvoorbeeld de geheugenvorming in organoïden afkomstig van gezonde mensen en van Alzheimerpatiënten kunnen vergelijken en proberen eventuele tekortkomingen te herstellen. We zouden organoïden ook kunnen gebruiken om te testen of bepaalde stoffen, zoals pesticiden, geheugen- of leerproblemen veroorzaken."
Ze zouden menselijk lijden en ziekten kunnen verlichten door de behandelingen die ze helpen ontwikkelen en zouden het leven kunnen redden van duizenden dieren die momenteel worden opgeofferd voor menselijk onderzoek.
Studie: Organoïde intelligentie (OI): de nieuwe grens in biocomputing en intelligentie in een schaaltje, L. Smirnova, et al.
In april 2021 publiceerden de Amerikaanse National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine een rapport waarin werd gesteld dat, hoewel mini-hersenen momenteel nog onbeduidend zijn qua omvang, complexiteit en ontwikkelingsniveau, niemand kan garanderen dat ze, naarmate deze factoren toenemen, geen vorm van menselijk bewustzijn zullen ontwikkelen.
Mocht dit het geval zijn, dan zou de toenemende verfijning van organoïden een ethisch heikel punt kunnen worden, wat hun verdere ontwikkeling zou belemmeren. Dit zou echter ook de eerste echte ontmoeting betekenen met een niet-menselijk, maar toch mensachtig bewustzijn, wat op zichzelf al een mijlpaal zou zijn.
Welkom bij de afdeling Onderzoek en Strategie van [bedrijfsnaam] in de snel veranderende wereld van vandaag.
Een op bewijs gebaseerde discussie over de vraag of activiteiten zoals kruiswoordpuzzels en Sudoku de hersengezondheid daadwerkelijk verbeteren, met een verduidelijking van wat ze wel en niet bevorderen, en waarom de voordelen vaak verkeerd worden begrepen.
Bekijk deze uitstekende inzichten over de rol van neurowetenschap in sportprestaties.
Ontdek de opmerkelijke neuroplasticiteit van je hersenen.
NeuroTracker is een van de meest onderzochte systemen voor cognitieve training en wordt wereldwijd gebruikt in de topsport, het leger en voor het verbeteren van menselijke prestaties. Het is gebaseerd op 20 jaar neurowetenschappelijk onderzoek.
.png)