3 raisons pour lesquelles les organoïdes cérébraux sont importants

Les organoïdes sont actuellement l’un des domaines scientifiques qui évoluent le plus rapidement. Ils évoluent également de nombreuses manières différentes, mais tout aussi fascinantes. Nous aborderons ici trois principales voies émergentes qui promettent d'augmenter considérablement leur puissance, de rivaliser avec l'intelligence artificielle et potentiellement de révéler des secrets pour prévenir les maladies neurodégénératives.

Que sont les organoïdes ?

Les organoïdes (ou assembloïdes ) sont des groupes fonctionnels de neurones cultivés in vitro, généralement à partir de cellules souches cutanées. Ces formations cérébrales vivantes relativement complexes, qui peuvent être animales ou humaines, sont utilisées pour étudier la mécanique neuronale en laboratoire, en dehors d’un véritable cerveau.

Au grand mépris des neuroscientifiques, ils sont souvent qualifiés dans les médias de « mini-cerveaux » ou de « cerveaux dans une assiette », ce qui n'est pas exact, car ils sont généralement extrêmement petits et leur complexité est bien plus simple que celle du cerveau humain.

Cela dit, et comme nous le verrons ici, différentes méthodes sont en cours de développement pour augmenter considérablement leur taille et leur complexité fonctionnelle.

1. Synthèse cérébrale homme-animal

Pour la première fois dans l’histoire, les animaux pourraient acquérir certains aspects de l’intelligence humaine grâce à des transplantations cérébrales intégratives.

La valeur des organoïdes pour la recherche est assez limitée par la taille et la complexité dans lesquelles ils peuvent se développer. Pour surmonter ce problème, une nouvelle approche publiée dans Nature a transplanté des organoïdes du cortex humain dans des cerveaux de rats vivants (illustré dans l'image ci-dessus).

Six mois après l'intégration, les neurones humains ont atteint un nouvel ordre de maturation, devenant 6 fois plus gros que ce qui était possible in vitro. Leur activité imite mieux certains des comportements les plus sophistiqués observés dans le cerveau humain.

Dans une expérience de suivi, les chercheurs ont spécifiquement activé les neurones humains génétiquement modifiés en utilisant l'optogénétique et ont réussi à influencer la fréquence à laquelle les rats recherchaient une récompense. C'est-à-dire contrôler les cellules du cerveau humain dans le cerveau d'un rat, pour contrôler les comportements du rat.

Cette approche ouvre la possibilité de développer des systèmes cérébraux humains complexes à partir de cellules souches avec des ressources technologiques limitées. Bien que fascinant, ce nouveau domaine de recherche biologique, et même la biologie elle-même, peut être semé de complications éthiques, notamment sur la manière de classer un tel organisme hybride.

Étude : Maturation et intégration de circuits d'organoïdes corticaux humains transplantés , Omer Revah et al.Stu

2. Sensibilité synthétique-biologique

Cette vidéo est plus que ce que l'on voit : il s'agit en fait de la première hybridation réussie de neurones biologiques et de puces de silicium apprenant à jouer à un jeu simulé.

Comparée à la synthèse d'organoïdes dans différents cerveaux biologiques, cette recherche va dans une direction totalement nouvelle, mais tout aussi ahurissante, en synthétisant directement un mélange d'organoïdes humains/rongeurs avec des ordinateurs. Surnommé « intelligence biologique synthétique » (SBI), l'objectif est de fusionner de manière synergique ces formes d'intelligence autrefois divergentes.

En particulier, les chercheurs ont cherché à exploiter la puissance de la complexité de troisième ordre présente dans les organoïdes, ce qui n’a jamais été réalisable en informatique traditionnelle. Et en plus, pour parvenir à la définition formelle de la sensibilité dans les cultures neuronales, démontrant efficacement l’apprentissage par rétroaction sensorielle.

Dans cette étude, les organoïdes in vitro ont été intégrés à l'informatique « in silico » via un réseau multiélectrodes haute densité. Utilisant une rétroaction structurée en boucle fermée via une stimulation électrophysiologique, l'expérience nommée « BrainDish » a été intégrée dans une simulation du jeu informatique emblématique Pong.

La capacité des neurones des assemblages à répondre de manière adaptative aux stimuli externes est la base de tout apprentissage animal. Bien que cette expérience initiale soit une simulation très basique, elle a démontré un comportement intelligent et sensible dans un monde de jeu simulé grâce à un comportement dirigé vers un objectif.

Cette approche offre une nouvelle voie de recherche prometteuse pour soutenir ou remettre en question les théories expliquant comment le cerveau interagit avec le monde et pour étudier l’intelligence en général. Cela pourrait également constituer une panacée pour surmonter les principaux défis auxquels est confrontée l’évolution de l’intelligence artificielle au-delà des niveaux humains, car les neurones possèdent diverses caractéristiques d’apprentissage que nous n’avons pas encore imitées dans les ordinateurs.

Étude : Les neurones in vitro apprennent et présentent une sensibilité lorsqu'ils sont incarnés dans un monde de jeu simulé , Brett J. Kagan et al.

3. OI – Une nouvelle voie pour développer le renseignement

Nos deux premiers exemples emmènent les organoïdes sur des voies évolutives différentes de celles initialement envisagées par les neuroscientifiques. Cependant, même le domaine traditionnel de la science des organoïdes en est encore à ses balbutiements, et cela est appelé à changer rapidement.

De nombreuses méthodes prometteuses émergent pour augmenter leur échelle, leur complexité et leur spécialisation fonctionnelle, tout en conservant leur accès pratique au sein d’une antenne de laboratoire. En tant que tels, les organoïdes cérébraux constituent actuellement l’un des domaines de recherche les plus passionnants en bioinformatique.

Bien qu'elle passe inaperçue des approches traditionnelles de l'intelligence artificielle, « l'intelligence organoïde » (OI) apparaît comme un concurrent potentiel pour la voie la plus rapide vers le Saint Graal de l'intelligence artificielle générale (AGI).

Un consortium de plus de 20 leaders scientifiques dans le domaine a récemment publié un article historique complet sur l'avancement de la science des organoïdes.

Voici 6 affirmations clés qu’ils postulent.

1. L’informatique biologique (ou bioinformatique) pourrait être plus rapide, plus efficace et plus puissante que l’informatique basée sur le silicium et l’IA, et ne nécessiterait qu’une fraction de l’énergie.

2. « L'intelligence organoïde » (OI) décrit un domaine multidisciplinaire émergent travaillant au développement de l'informatique biologique utilisant des cultures 3D de cellules cérébrales humaines (organoïdes cérébraux) et des technologies d'interface cerveau-machine.

3. L’OI nécessite de transformer les organoïdes cérébraux actuels en structures 3D complexes et durables, enrichies de cellules et de gènes associés à l’apprentissage, et de les connecter à des dispositifs d’entrée et de sortie de nouvelle génération et à des systèmes d’IA/d’apprentissage automatique.

4. L’OI nécessite de nouveaux modèles, algorithmes et technologies d’interface pour communiquer avec les organoïdes cérébraux, comprendre comment ils apprennent et calculent, et traitent et stockent les quantités massives de données qu’ils généreront.

5. La recherche sur l’IO pourrait également améliorer notre compréhension du développement, de l’apprentissage et de la mémoire du cerveau, contribuant ainsi potentiellement à trouver des traitements pour des troubles neurologiques tels que la démence.

6. Veiller à ce que l'OI se développe d'une manière éthique et socialement adaptée nécessite une approche « d'éthique intégrée » dans laquelle des équipes interdisciplinaires et représentatives d'éthiciens, de chercheurs et de membres du public identifient, discutent et analysent les questions éthiques et les répercutent pour éclairer les recherches futures. et travailler.

En un mot, ces chercheurs espèrent utiliser des échantillons de tissus humains pour cultiver et manipuler des collections de cellules cérébrales de plus en plus puissantes qu’ils pourraient utiliser à la place des puces informatiques en silicium standard.

Ces amas de cellules seront beaucoup plus grands et développés en trois dimensions, ce qui permettra aux neurones qu’ils contiennent de créer beaucoup plus de connexions.

C'est une technologie qui nécessite de nombreuses disciplines scientifiques pour démarrer. Alors que certains chercheurs travaillent sur la croissance d'organoïdes jusqu'à la taille de 10 millions de cellules, ce que les scientifiques estiment nécessaire pour commencer à fonctionner à proximité d'un cerveau humain, d'autres développent une technologie qui nous permettrait de communiquer avec un amas de cellules et que ce groupe communique en retour.

Une étape clé dans cette communication bidirectionnelle a été franchie récemment grâce au développement d'une sorte de capuchon EEG pour organoïdes, utilisant une coque flexible densément recouverte de minuscules électrodes capables à la fois de capter les signaux de l'organoïde et de lui transmettre des signaux.

Mais la simple construction d’un ordinateur très puissant n’est pas le seul objectif visé par ces chercheurs. Ils espèrent également utiliser ces ordinateurs OI pour analyser les troubles neurologiques et aider les patients.

Thomas Hartung, chercheur principal sur les organoïdes, a résumé : « Par exemple, nous pourrions comparer la formation de la mémoire dans les organoïdes provenant de personnes en bonne santé et de patients atteints de la maladie d'Alzheimer, et essayer de réparer les déficits relatifs. Nous pourrions également utiliser l’OI pour tester si certaines substances, telles que les pesticides, provoquent des problèmes de mémoire ou d’apprentissage.

Ils pourraient soulager la souffrance humaine et les maladies grâce aux traitements qu’ils contribuent à développer et pourraient épargner la vie de milliers d’animaux actuellement sacrifiés pour la recherche humaine.

Étude : Intelligence organoïde (OI) : la nouvelle frontière de la bioinformatique et de l'intelligence dans un plat , L Smirnova, et. al.

Qu’en est-il de l’éthique des organoïdes ?

En avril 2021, les Académies nationales des sciences, de l'ingénierie et de la médecine des États-Unis ont publié un rapport indiquant que, bien que les mini-cerveaux soient actuellement de taille, de complexité et de maturité insignifiantes, à mesure qu'ils augmentent, personne ne peut garantir qu'ils ne développeront pas une sorte de de conscience de type humain.

Si cela devient le cas, la sophistication croissante des organoïdes pourrait devenir une boîte de Pandore éthique, entravant leur développement ultérieur. Cependant, cela marquerait également la première véritable rencontre d’ une conscience non humaine mais semblable à celle de l’humain , ce qui constituerait un jalon en soi.

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