Cientistas de várias áreas estão colaborando para desenvolver biocomputadores inovadores que usam organoides cerebrais, culturas tridimensionais de células cerebrais, como hardware biológico.
“Chamamos esse novo campo interdisciplinar de ‘organoid intelligence’ (OI), disse o professor Thomas Hartung, da Universidade Johns Hopkins. “Acreditamos que o desenvolvimento desta tecnologia lançará uma nova era de biocomputação rápida, poderosa e eficiente.”
Embora não sejam verdadeiros “mini-cérebros”, os organoides cerebrais desenvolvidos em laboratório feitos de células-tronco compartilham características importantes da estrutura e função do cérebro, incluindo neurônios e outras células cerebrais necessárias para processos cognitivos como aprendizado e memória. Além disso, os organoides têm uma estrutura tridimensional, enquanto a maioria das culturas de células é plana. A densidade celular da cultura é aumentada por um fator de mil, permitindo a formação de muito mais conexões entre os neurônios.
Por que organoides cerebrais produziriam bons computadores, mesmo que fossem uma boa cópia de cérebros? Afinal, os computadores não são mais inteligentes e rápidos que o cérebro humano?
“Enquanto os computadores baseados em silício certamente são melhores com números, os cérebros são melhores no aprendizado”, explicou Hartung. Por exemplo, o AlphaGo (a IA que derrotou o jogador Go número um do mundo em 2017) foi treinado com dados de 160.000 jogos. Uma pessoa teria que jogar cinco horas por dia durante mais de 175 anos para experimentar tantos jogos.”
"Os cérebros não são apenas superiores no aprendizado, mas também usam menos energia. Por exemplo, mais energia é gasta ensinando o AlphaGo do que seria necessário para manter um adulto ativo por dez anos.
“Os cérebros também têm uma capacidade incrível de armazenar informações, estimada em 2.500 TB”, disse Hartung. “Estamos atingindo os limites físicos dos computadores de silício porque não podemos colocar mais transistores em um chip minúsculo. Mas o cérebro é conectado de forma completamente diferente. Possui cerca de 100 bilhões de neurônios conectados por meio de mais de 1015 pontos de conexão. Essa é uma enorme diferença de potência em comparação com a nossa tecnologia atual.”
Que forma teriam os biocomputadores com inteligência organoide?
Organoides cerebrais atuais precisam ser estendidos para OI, de acordo com Hartung.
“Eles são muito pequenos, cada um contendo cerca de 50.000 células. Para OI, precisaríamos aumentar esse número para 10 milhões”, explicou.
Os autores também estão trabalhando em tecnologias que lhes permitirão dar informações aos organoides e ler o que eles estão “pensando” ao mesmo tempo. Os autores pretendem criar novos dispositivos de estimulação e gravação, além de modificar técnicas de vários campos científicos, como bioengenharia e aprendizado de máquina.
“Desenvolvemos um dispositivo de interface cérebro-computador que é uma espécie de tampa de EEG para organoides, que apresentamos em um artigo publicado em agosto passado. É uma casca flexível densamente coberta com minúsculos eletrodos que podem captar sinais do organoide e transmiti-los”, disse Hartung.
De acordo com os cientistas, o OI eventualmente incorporará uma variedade de dispositivos de estimulação e gravação. Por meio de redes de organoides vinculados que realizam cálculos mais intrincados, eles coordenarão as interações.
OI na medicina
Além da computação, OI é uma promessa para o futuro da medicina. Organoides cerebrais agora podem ser criados a partir de tecido adulto graças a um novo processo criado pelos vencedores do Prêmio Nobel John Gurdon e Shinya Yamanaka. Isso sugere que os pesquisadores podem criar organoides cerebrais personalizados a partir de amostras de pele de pessoas com doenças neurológicas, como o mal de Alzheimer. Depois, eles podem fazer uma série de testes para ver como produtos químicos, drogas e fatores genéticos podem afetar esses distúrbios.
“Com OI também poderíamos estudar os aspectos cognitivos das condições neurológicas”, disse Hartung. “Poderíamos, por exemplo, comparar a formação da memória em organoides derivados de pessoas saudáveis e de pacientes com Alzheimer e tentar reparar os déficits relativos. Também poderíamos usar OI para testar se certas substâncias, como pesticidas, causam problemas de memória ou aprendizado”.
Considerações éticas
Questões éticas complexas são levantadas pelo desenvolvimento de organoides do cérebro humano que podem lembrar, aprender e se comunicar com o ambiente. Poderiam eles, por exemplo, alcançar até mesmo uma consciência rudimentar? Eles podem sentir angústia ou dor? Que direitos os indivíduos teriam sobre os organoides de seus cérebros criados a partir de suas células?
Essas questões são bem conhecidas dos autores.
“Uma parte fundamental da nossa visão é desenvolver a IoT de maneira ética e socialmente responsável”, diz o estudo publicado na revista Frontiers in Science . “Por esta razão, estabelecemos uma parceria com especialistas em ética desde o início para estabelecer uma abordagem de ‘ética integrada’. Todas as questões éticas serão continuamente avaliadas por equipes compostas por cientistas, especialistas em ética e o público, à medida que a pesquisa evolui.”
Qual é a distância até a primeira inteligência organoide?
Mesmo quando o OI ainda está em sua infância, um estudo recente do Dr. Brett Kagan, do Cortical Laboratories, um dos coautores do artigo, fornece uma prova de conceito ao demonstrar que uma cultura de células cerebrais típicas planas pode aprender a reproduzir o vídeo jogo Pong.
“Sua equipe já está testando isso com organoides cerebrais. E eu diria que replicar esse experimento com organoides já atende à definição básica de OI. De agora em diante, trata-se apenas de construir a comunidade, ferramentas e tecnologias para liberar todo o potencial da OI”, concluiu Hartung .
