I biocomputer saranno la prossima frontiera per gestire l’enorme potenza di calcolo richiesta
Anche se i computer guidati da cellule cerebrali umane possono sembrare fantascienza, un gruppo di ricercatori statunitensi ritiene che tali macchine, che fanno parte di un nuovo campo soprannominato “intelligenza organoide”, potrebbero avere un impatto sul futuro. E ora hanno una strategia per arrivarci.
Secondo la CNN, i tessuti simili a organi creati in laboratorio sono chiamati organoidi. Questi modelli tridimensionali, creati in genere a partire da cellule staminali, vengono utilizzati in laboratorio da quasi 20 anni. Ciò ha permesso ai ricercatori di condurre studi sui reni, sui polmoni e su altri modelli simili a organi, senza danneggiare gli esseri umani o gli animali.
Le colture cellulari delle dimensioni di un puntino che costituiscono gli organoidi cerebrali non assomigliano in realtà a repliche in miniatura del cervello umano, ma includono neuroni che possono svolgere compiti simili a quelli del cervello e connettersi in una miriade di modi.
Nel 2012, il dottor Thomas Hartung ha iniziato a sviluppare organoidi cerebrali modificando campioni di pelle umana presso la Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health e la Whiting School of Engineering di Baltimora.
Lui e i suoi colleghi sperano di sfruttare il potenziale degli organoidi cerebrali per creare una tecnologia biologica che consumi meno energia dei supercomputer. Questi “biocomputer” utilizzerebbero reti di organoidi cerebrali per trasformare i test farmacologici per patologie come l’Alzheimer, fornire informazioni sul cervello umano e modificare l’informatica del futuro.
La ricerca che rivela il piano di Hartung e del suo team per l’intelligenza degli organoidi è stata pubblicata sulla rivista Frontiers in Science.
“L’informatica e l’intelligenza artificiale hanno guidato la rivoluzione tecnologica, ma stanno raggiungendo un limite”, ha dichiarato Hartung, autore senior dello studio, in un comunicato. “Il biocomputing è un enorme sforzo per compattare la potenza di calcolo e aumentarne l’efficienza per superare gli attuali limiti tecnologici”.
Mentre i processi mentali umani servono da modello per l’intelligenza artificiale, la tecnologia non può imitare completamente il cervello umano. Un supercomputer può elaborare enormi volumi di dati molto più rapidamente di un essere umano.
“Per esempio, AlphaGo (l’IA che ha battuto il giocatore di Go numero 1 al mondo nel 2017) è stato addestrato sui dati di 160.000 partite”, ha spiegato Hartung. “Una persona dovrebbe giocare cinque ore al giorno per più di 175 anni per poter sperimentare questo numero di partite”.
Il cervello umano, invece, utilizza l’energia in modo più efficace ed è più bravo ad apprendere e a giungere a conclusioni logiche complicate. In particolare, esso è in grado di svolgere compiti che una macchina non è in grado di eseguire, come ad esempio distinguere un animale da un altro.
Un supercomputer da 600 milioni di dollari, chiamato Frontier, pesa ben 3.629 kg, e ogni cabinet pesa quanto due normali camioncini. Si trova presso l’Oak Ridge National Laboratory in Tennessee. A giugno la potenza di elaborazione della macchina ha superato quella di un singolo cervello umano, ma Hartung ha precisato che richiede un’energia un milione di volte superiore.
“Il cervello è ancora inarrivabile per i computer moderni”, ha aggiunto Hartung.
“Il cervello ha anche un’incredibile capacità di immagazzinare informazioni, stimata in 2.500 (terabyte)”, ha sottolineato. “Stiamo raggiungendo i limiti fisici dei computer al silicio perché non possiamo inserire più transistor in un piccolo chip”.
John B. Gurdon e Shinya Yamanaka, pionieri nel campo delle cellule staminali, hanno ricevuto il premio Nobel nel 2012 per il loro lavoro su un metodo che ha reso possibile la creazione di cellule da tessuti completamente cresciuti, come la pelle. Con l’aiuto di una ricerca innovativa, i ricercatori come Hartung sono stati in grado di creare organoidi cerebrali che imitano i cervelli viventi e hanno potuto testare e rilevare i farmaci che possono essere dannosi per la salute del cervello.
Alcuni scienziati hanno chiesto ad Hartung se gli organoidi cerebrali fossero in grado di pensare e di avere coscienza. In risposta a questa domanda, Hartung ha pensato di fornire agli organoidi conoscenze sull’ambiente e su come interagire con esso.
“Questo apre la strada alla ricerca sul funzionamento del cervello umano”, ha dichiarato Hartung, che è anche co-direttore del Center for Alternatives to Animal Testing in Europa. “Poiché si può iniziare a manipolare il sistema, facendo cose che non si possono eticamente fare con i cervelli umani”.
Hartung descrive l’intelligenza organoide come “la riproduzione di funzioni cognitive, come l’apprendimento e l’elaborazione sensoriale, in un modello di cervello umano cresciuto in laboratorio”.
Per l’OI o intelligenza organoide, Hartung dovrebbe ingrandire gli organoidi cerebrali che utilizza attualmente. Ogni organoide contiene all’incirca la stessa quantità di cellule del sistema nervoso di un moscerino della frutta. Un singolo organoide equivale a circa 800 megabyte di memoria, poiché è un terzo milionesimo delle dimensioni del cervello umano.
Per condividere le informazioni con gli organoidi e ottenere una lettura di ciò che stanno “pensando”, i ricercatori hanno bisogno di un mezzo di comunicazione con loro. Gli autori dello studio hanno creato un progetto che combina i nuovi sviluppi con le tecnologie della bioingegneria e dell’apprendimento automatico. Secondo gli autori dello studio, attività più complesse sarebbero possibili se le reti di organoidi supportassero vari tipi di input e output.
“Abbiamo sviluppato un dispositivo di interfaccia cervello-computer che è una sorta di cuffia EEG (elettroencefalogramma) per organoidi, che abbiamo presentato in un articolo pubblicato lo scorso agosto”, ha spiegato Hartung. “Si tratta di un guscio flessibile densamente ricoperto di minuscoli elettrodi in grado di captare i segnali provenienti dall’organoide e di trasmetterglieli”.
Secondo i ricercatori, la medicina umana potrebbe essere l’ambito in cui l’intelligenza degli organoidi darà i suoi contributi più significativi. Gli scienziati potrebbero creare organoidi cerebrali da campioni di pelle di persone con disturbi neurali, consentendo loro di studiare gli effetti di vari farmaci e altri fattori.
“Con l’OI potremmo studiare anche gli aspetti cognitivi delle condizioni neurologiche”, ha dichiarato Hartung. “Per esempio, potremmo confrontare la formazione della memoria in organoidi derivati da persone sane e da pazienti affetti da Alzheimer e cercare di riparare i relativi deficit. Potremmo anche usare l’OI per verificare se alcune sostanze, come i pesticidi, causano problemi di memoria o di apprendimento”.
Inoltre, gli organoidi cerebrali potrebbero fornire una nuova prospettiva su come le persone pensano.
“Vogliamo confrontare gli organoidi cerebrali di donatori con sviluppo normale con quelli di donatori affetti da autismo”, ha dichiarato in un comunicato Lena Smirnova, assistente alla Johns Hopkins per la salute e l’ingegneria ambientale, coautrice dello studio e co-investigatrice.
“Gli strumenti che stiamo sviluppando per l’elaborazione biologica sono gli stessi che ci permetteranno di comprendere i cambiamenti nelle reti neuronali specifiche per l’autismo, senza dover usare animali o accedere ai pazienti, in modo da poter capire i meccanismi alla base del perché i pazienti hanno questi problemi e disturbi della cognizione”, ha commentato la ricercatrice.
Tuttavia, ci sono già risultati incoraggianti che mostrano ciò che è possibile fare. Il videogioco Pong può essere appreso dalle cellule cerebrali, secondo il coautore della ricerca, il dottor Brett Kagan, responsabile scientifico dei Cortical Laboratories di Melbourne, Australia, e il suo team.
L’uso di organoidi cerebrali per generare intelligenza organica è attualmente nelle fasi iniziali. Secondo Hartung, potrebbero essere necessari decenni per sviluppare un’intelligenza artificiale che abbia capacità cognitive simili a quelle dei computer.
“Il loro team lo sta già testando con gli organoidi cerebrali”, ha precisato Hartung. “E direi che replicare questo esperimento con gli organoidi soddisfa già la definizione di base di IO. Da qui in poi, si tratta solo di costruire la comunità, gli strumenti e le tecnologie per realizzare il pieno potenziale dell’OI”.
La creazione di organoidi cerebrali umani in grado di svolgere compiti cognitivi pone diverse questioni etiche, come ad esempio se gli organoidi possano provare coscienza o dolore e se le persone le cui cellule sono state utilizzate per crearli abbiano qualche diritto legale sugli organoidi.
“Una parte fondamentale della nostra visione è sviluppare l’OI in modo etico e socialmente responsabile”, ha dichiarato Hartung. “Per questo motivo, fin dall’inizio abbiamo collaborato con esperti di etica per stabilire un approccio di ‘etica incorporata’. Tutte le questioni etiche saranno costantemente valutate da team composti da scienziati, etici e pubblico, man mano che la ricerca si evolve”.
In un punto di vista politico pubblicato separatamente, Julian Kinderlerer, professore emerito di diritto della proprietà intellettuale presso l’Università di Città del Capo in Sudafrica, ha sottolineato l’importanza di includere il pubblico in generale nella comprensione e nel progresso dell’intelligenza degli organoidi, sebbene Kinderlerer non faccia parte dell’attuale studio dell’OI.
“Stiamo entrando in un mondo nuovo, dove l’interfaccia tra esseri umani e costrutti umani si fonde perfettamente”, ha scritto Kinderlerer. “La società non può attendere passivamente le nuove scoperte; deve essere coinvolta nell’identificazione e nella risoluzione di possibili dilemmi etici e nell’assicurare che qualsiasi sperimentazione rientri in confini etici ancora da determinare”.
Ci siamo abituati ai computer composti da hardware e software. Ora dovremo abituarci ad aver a che fare con computer che abbiano anche una componente biologica. Questa fusione tra biologia ed elettronica apre a considerazioni ancora più complesse rispetto ai rischi della sola tecnologia come ad esempio l’IA. L’aspetto etico non è così semplice da affrontare. Tali neuroni potranno considerarsi realmente vivi? Potranno diventare senzienti, ma intrappolati all’interno di un calcolatore? Le domande sono molte, e le risposte non sono semplici. Ciononostante è bene fare tutte le dovute considerazioni prima di creare qualcosa da cui poi non si potrà tornare facilmente indietro.
