3 raisons pour lesquelles les organoïdes cérébraux sont si importants

Les organoïdes constituent actuellement l'un des domaines scientifiques les plus dynamiques. Leur évolution se poursuit de multiples manières, toutes plus fascinantes les unes que les autres. Nous aborderons ici trois pistes de recherche émergentes prometteuses, susceptibles d'accroître considérablement leur potentiel, de rivaliser avec l'intelligence artificielle et de révéler des secrets pour prévenir les maladies neurodégénératives.

Que sont les organoïdes ?

Les organoïdes (ou assembloïdes) sont des amas fonctionnels de neurones cultivés in vitro, généralement à partir de cellules souches cutanées. Ces formations cérébrales vivantes relativement complexes, d'origine animale ou humaine, servent à étudier la mécanique neuronale en laboratoire, indépendamment du cerveau lui-même.

Au grand dam des neuroscientifiques, on les appelle souvent dans les médias des « mini-cerveaux » ou des « cerveaux en boîte de Petri », ce qui est inexact, 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 accroître considérablement leur taille et leur complexité fonctionnelle.

1. Synthèse du cerveau humain et animal

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

L'intérêt des organoïdes pour la recherche est fortement limité par leur taille et leur complexité. Pour pallier ce problème, une nouvelle approche, publiée dans la revue Nature, a consisté à transplanter des organoïdes de cortex humain dans des cerveaux de rats vivants (voir image ci-dessus).

Six mois après leur intégration, les neurones humains ont atteint un nouveau stade de maturation, leur taille étant six fois supérieure à celle observée in vitro. Leur activité imitait mieux certains comportements complexes observés dans le cerveau humain.

Dans une expérience de suivi, les chercheurs ont activé spécifiquement les neurones humains génétiquement modifiés grâce à l'optogénétique et ont réussi à influencer la fréquence à laquelle les rats recherchaient une récompense. Autrement dit, ils ont contrôlé des cellules cérébrales humaines au sein du cerveau d'un rat afin de contrôler le comportement de ce dernier.

Cette approche ouvre la voie à la culture de systèmes cérébraux humains complexes à partir de cellules souches, et ce, malgré des ressources technologiques limitées. Bien que fascinant, ce nouveau domaine de la recherche biologique, voire la biologie elle-même, pourrait soulever de nombreuses questions éthiques, notamment quant à la classification d'un tel organisme hybride.

Étude : Maturation et intégration des circuits d’organoïdes corticaux humains transplantés, Omer Revah et al.

2. La conscience synthétique-biologique

Cette vidéo est bien plus qu'il n'y paraît : il s'agit en réalité de la première hybridation réussie de neurones biologiques et de puces de silicium apprenant à jouer à un jeu simulé.

Contrairement à la synthèse d'organoïdes en différents cerveaux biologiques, cette recherche explore une voie totalement inédite, mais tout aussi fascinante, en synthétisant directement un mélange d'organoïdes humains et de rongeurs à l'aide d'ordinateurs. Baptisée « intelligence biologique synthétique » (IBS), cette approche vise à fusionner de manière synergique ces formes d'intelligence autrefois divergentes.

Les chercheurs ont notamment cherché à exploiter la puissance de la complexité du troisième ordre présente dans les organoïdes, une prouesse jusqu'alors impossible à réaliser en informatique traditionnelle. Ils ont également cherché à formaliser la notion de conscience dans les cultures neuronales, démontrant ainsi concrètement l'apprentissage par rétroaction sensorielle.

Dans cette étude, des organoïdes in vitro ont été intégrés à un système de calcul in silico grâce à un réseau multiélectrodes haute densité. Utilisant une boucle de rétroaction structurée par stimulation électrophysiologique, l'expérience, baptisée « BrainDish », a été intégrée à une simulation du célèbre jeu vidéo Pong.

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

Cette approche ouvre une nouvelle voie de recherche prometteuse pour étayer ou remettre en question les théories expliquant l'interaction du cerveau avec le monde, et pour étudier l'intelligence en général. Elle pourrait également constituer une solution miracle pour surmonter les principaux défis liés à l'évolution de l'intelligence artificielle au-delà du niveau humain, car les neurones possèdent diverses caractéristiques d'apprentissage que nous n'avons pas encore réussi à reproduire par ordinateur.

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

3. OI – Une nouvelle voie pour développer le renseignement

Nos deux premiers exemples illustrent des trajectoires évolutives des organoïdes différentes de celles initialement envisagées par les neuroscientifiques. Cependant, même le domaine traditionnel de la science des organoïdes n'en est encore qu'à ses balbutiements, et cela devrait rapidement changer.

De nombreuses méthodes prometteuses émergent pour accroître leur taille, leur complexité et leur spécialisation fonctionnelle, tout en préservant leur accessibilité pratique en laboratoire. De ce fait, les organoïdes cérébraux constituent actuellement l'un des domaines de recherche les plus passionnants en bioinformatique.

Bien que passant inaperçue des approches traditionnelles d'intelligence artificielle, l'« intelligence organoïde » (IO) apparaît comme une candidate potentielle pour la voie la plus rapide vers le Saint Graal de l'intelligence artificielle générale (IAG).

Un consortium de plus de 20 chefs de file scientifiques du domaine a récemment publié un article de référence exhaustif sur l'avancement de la science des organoïdes.

Voici six affirmations clés qu'ils avancent.

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

2. « L’intelligence organoïde » (IO) décrit un domaine multidisciplinaire émergent qui travaille à développer l’informatique biologique en 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 en cellules et en 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/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 traiter et stocker les quantités massives de données qu’ils généreront.

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

6. Garantir que l'OI se développe de manière éthique et socialement responsable exige une approche d'« éthique intégrée » où des équipes interdisciplinaires et représentatives d'éthiciens, de chercheurs et de membres du public identifient, discutent et analysent les questions éthiques et les répercutent afin d'éclairer les recherches et les travaux futurs.

En résumé, ces chercheurs espèrent utiliser des échantillons de tissus humains pour cultiver et manipuler des collections de cellules cérébrales de plus en plus performantes, qu'ils pourraient utiliser à la place des puces informatiques en silicium classiques.

Ces amas de cellules seront beaucoup plus grands et se développeront en trois dimensions, ce qui permettra aux neurones qui les composent de créer beaucoup plus de connexions.

Cette technologie nécessite la mobilisation de nombreuses disciplines scientifiques pour se développer. Tandis que certains chercheurs travaillent à cultiver des organoïdes jusqu'à atteindre la taille de 10 millions de cellules, seuil estimé par les scientifiques pour espérer un fonctionnement comparable à celui d'un cerveau humain, d'autres mettent au point des technologies permettant de communiquer avec un amas de cellules et d'obtenir une réponse de cet amas.

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

Mais la construction d'un ordinateur très puissant n'est pas le seul objectif de ces chercheurs. Ils espèrent également utiliser ces ordinateurs à intelligence artificielle pour analyser les affections neurologiques et aider les patients.

Thomas Hartung, chercheur de premier plan dans le domaine des organoïdes, a résumé : « Par exemple, nous pourrions comparer la formation de la mémoire dans des organoïdes dérivés de personnes saines et de patients atteints de la maladie d’Alzheimer, et tenter de corriger les déficits relatifs. Nous pourrions également utiliser l’OI pour tester si certaines substances, comme les pesticides, provoquent des troubles de la mémoire ou de l’apprentissage. »

Ils pourraient soulager la souffrance et les maladies humaines 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 en boîte de Petri, L Smirnova, et al.

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

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

Si cela se confirme, la sophistication croissante des organoïdes pourrait soulever d'importantes questions éthiques, freinant ainsi leur développement. Cependant, cela marquerait également la première véritable rencontre avec une conscience non humaine, mais semblable à la conscience humaine, ce qui constituerait en soi une avancée majeure.

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