Il cervello umano è un maestro del calcolo. Non c’è da stupirsi che, dagli algoritmi ispirati al cervello ai chip neuromorfi, gli scienziati stiano prendendo in prestito il libro dei giochi del cervello per dare una spinta alle macchine.
Tuttavia, i risultati – sia nel software che nell’hardware – catturano solo una frazione delle complessità computazionali incorporate nei neuroni. Ma forse il principale ostacolo alla costruzione di computer simili al cervello è che non abbiamo ancora compreso appieno come funziona il cervello. Ad esempio, come fa la sua architettura, definita da strati prestabiliti, regioni e circuiti neurali in continua evoluzione, a dare un senso al nostro mondo caotico con un’elevata efficienza e un basso consumo energetico?
Perché allora non aggirare l’enigma e utilizzare direttamente il tessuto neurale come biocomputer?
Questo mese, un team della Johns Hopkins University ha presentato un progetto audace per un nuovo campo informatico: l’intelligenza organoide (OI). Non preoccupatevi: non si tratta di utilizzare tessuto cerebrale umano vivente collegato a fili in barattoli. Piuttosto, come dice il nome, ci si concentra su un surrogato: gli organoidi cerebrali, meglio conosciuti come “mini-cervelli”. Queste pepite della dimensione di un pisello assomigliano all’incirca al cervello umano fetale per quanto riguarda l’espressione genica, l’ampia varietà di cellule cerebrali e l’organizzazione. I loro circuiti neurali sono caratterizzati da un’attività spontanea, sono increspati dalle onde cerebrali e possono persino rilevare la luce e controllare i movimenti muscolari.
In sostanza, gli organoidi cerebrali sono processori altamente sviluppati che riproducono il cervello in misura limitata. In teoria, diversi tipi di mini-cervelli potrebbero essere collegati a sensori digitali e dispositivi di uscita, non diversamente dalle interfacce cervello-macchina, ma come circuito esterno al corpo. A lungo termine, potrebbero connettersi l’uno all’altro in un super biocomputer addestrato utilizzando metodi di biofeedback e di apprendimento automatico per consentire “l’intelligenza in un piatto”.
Sembra un po’ inquietante? Sono d’accordo. Gli scienziati hanno a lungo discusso su dove tracciare il limite, cioè quando il mini-cervello diventa troppo simile a quello umano, con l’ipotetico scenario da incubo che le pepite sviluppino una coscienza.
Il team ne è ben consapevole. Nell’ambito dell’intelligenza degli organoidi, essi sottolineano la necessità di un'”etica incorporata”, con un consorzio di scienziati, bioeticisti e pubblico che partecipi all’intero sviluppo. Per l’autore senior, il dottor Thomas Hartung, il momento di lanciare la ricerca sull’intelligenza degli organoidi è adesso.
“L’informatica biologica (o biocomputing) potrebbe essere più veloce, più efficiente e più potente dell’informatica e dell’IA basate sul silicio, e richiedere solo una frazione dell’energia”, ha scritto il team.
Una soluzione intelligente
Utilizzare il tessuto cerebrale come hardware computazionale può sembrare bizzarro, ma ci sono già stati dei pionieri. Nel 2022, l’azienda australiana Cortical Labs ha insegnato a centinaia di migliaia di neuroni isolati in un piatto a giocare a Pong in un ambiente virtuale. I neuroni si sono collegati con chip di silicio alimentati da algoritmi di apprendimento profondo in una “piattaforma di intelligenza biologica sintetica” che ha catturato i segnali neurobiologici di base dell’apprendimento.
In questo caso, il team ha fatto un ulteriore passo avanti. Se i neuroni isolati potevano già supportare una forma rudimentale di biocomputing, che dire dei mini-cervelli 3D?
Dal loro debutto una decina di anni fa, i mini-cervelli sono diventati i beniamini per esaminare i disturbi dello sviluppo neurologico come l’autismo e per testare nuovi trattamenti farmacologici. Spesso coltivati a partire dalle cellule della pelle di un paziente, trasformate in cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC), gli organoidi sono particolarmente efficaci per imitare il patrimonio genetico di una persona, compreso il suo cablaggio neurale. Più recentemente, gli organoidi umani hanno parzialmente ripristinato la vista danneggiata nei ratti dopo essersi integrati con i neuroni dell’ospite.
In altre parole, i mini-cervelli sono già dei mattoni per un sistema di biocomputing plug-and-play che si connette facilmente con i cervelli biologici. Quindi perché non sfruttarli come processori per un computer? “La domanda è: possiamo imparare e sfruttare la capacità di calcolo di questi organoidi?”, si è chiesto il team.
Un progetto di grande portata
L’anno scorso, un gruppo di esperti di biocomputing si è riunito nel primo workshop sull’intelligenza degli organoidi, nel tentativo di formare una comunità che affrontasse l’uso e le implicazioni dei mini-cervelli come biocomputer. Il tema principale, consolidato nella “dichiarazione di Baltimora”, era la collaborazione. Un sistema mini-cervello ha bisogno di diversi componenti: dispositivi per rilevare gli input, il processore e un output leggibile.
Nel nuovo documento, Hartung prevede quattro traiettorie per accelerare l’intelligenza degli organoidi.
La prima si concentra sul componente critico: il mini-cervello. Sebbene siano densamente popolati di cellule cerebrali che supportano l’apprendimento e la memoria, gli organoidi sono ancora difficili da coltivare su larga scala. Un primo obiettivo chiave, spiegano gli autori, è la scalabilità.
Anche i sistemi microfluidici, che fungono da “nursery”, devono essere migliorati. Queste vasche high-tech forniscono sostanze nutritive e ossigeno per mantenere vivi e sani i mini-cervelli in fase di crescita, rimuovendo al contempo i rifiuti tossici e dando loro il tempo di maturare. Lo stesso sistema può anche pompare neurotrasmettitori – molecole che creano un ponte di comunicazione tra i neuroni – in regioni specifiche per modificarne la crescita e il comportamento.
Gli scienziati possono poi monitorare le traiettorie di crescita utilizzando una serie di elettrodi. Sebbene la maggior parte di essi sia attualmente adattata a sistemi 2D, il team e altri stanno aumentando il livello di interfacce 3D progettate specificamente per gli organoidi, ispirandosi alle capsule EEG (elettroencefalogramma) con elettrodi multipli collocati in una forma sferica.
Poi viene la decodifica dei segnali. La seconda traiettoria consiste nel decifrare i tempi e i luoghi dell’attività neurale all’interno dei mini-cervelli. Quando vengono colpiti con determinati schemi elettrici – ad esempio quelli che incoraggiano i neuroni a giocare a Pong – producono i risultati attesi?
È un altro compito difficile: l’apprendimento modifica i circuiti neurali a più livelli. Quindi cosa misurare? Il team suggerisce di scavare a più livelli, compresa l’espressione genica alterata nei neuroni e il modo in cui si collegano alle reti neurali.
È qui che l’intelligenza artificiale e la collaborazione possono fare la differenza. Le reti neurali biologiche sono rumorose, quindi sono necessarie più prove prima che l'”apprendimento” diventi evidente, generando a sua volta una marea di dati. Per il team, l’apprendimento automatico è lo strumento perfetto per estrarre come i diversi input, elaborati dal mini-cervello, si trasformano in output. Analogamente ai progetti di neuroscienze su larga scala, come la BRAIN Initiative, gli scienziati possono condividere le loro ricerche sull’intelligenza degli organoidi in uno spazio di lavoro comunitario per collaborazioni globali.
La terza traiettoria è più lontana nel tempo. Con mini-cervelli efficienti e duraturi e strumenti di misurazione a portata di mano, è possibile testare input più complessi e vedere come la stimolazione si ripercuote sul processore biologico. Ad esempio, rende più efficiente il suo calcolo? Diversi tipi di organoidi, ad esempio quelli che assomigliano alla corteccia e alla retina, possono essere interconnessi per costruire forme più complesse di intelligenza organoide. Questi potrebbero aiutare a “testare empiricamente, esplorare e sviluppare ulteriormente le teorie neurocomputazionali dell’intelligenza”, scrivono gli autori.
Intelligenza su richiesta?
La quarta traiettoria è quella che sottolinea l’intero progetto: l’etica dell’uso di mini-cervelli per la biocomputazione.
Poiché gli organoidi cerebrali assomigliano sempre più al cervello – tanto che possono integrare e ripristinare parzialmente il sistema visivo danneggiato di un roditore – gli scienziati si chiedono se possano acquisire una sorta di consapevolezza.
Per essere chiari, non ci sono prove che i mini-cervelli siano coscienti. Ma “queste preoccupazioni aumenteranno durante lo sviluppo dell’intelligenza degli organoidi, quando questi diventeranno strutturalmente più complessi, riceveranno input, genereranno output e, almeno teoricamente, elaboreranno informazioni sull’ambiente e costruiranno una memoria primitiva”, affermano gli autori. Tuttavia, l’obiettivo dell’intelligenza degli organoidi non è ricreare la coscienza umana, bensì imitare le funzioni computazionali del cervello.
Il mini processore cerebrale non è l’unica preoccupazione etica. Un’altra è la donazione di cellule. Poiché i minicervelli conservano il patrimonio genetico del donatore, è possibile che si verifichino pregiudizi di selezione e limitazioni della neurodiversità.
C’è poi il problema del consenso informato. Come ha dimostrato la storia della famosa linea di cellule tumorali HeLa, la donazione di cellule può avere un impatto multigenerazionale. “Gli autori si sono chiesti: “Che cosa rivela l’organoide sul donatore di cellule? I ricercatori avranno l’obbligo di informare il donatore se scoprono disturbi neurologici durante la loro ricerca?
Per navigare in questo “territorio davvero inesplorato”, il team propone un approccio etico integrato. In ogni fase, i bioeticisti collaboreranno con i team di ricerca per delineare in modo iterativo i potenziali problemi, raccogliendo al contempo le opinioni del pubblico. La strategia è simile a quella adottata per altri argomenti controversi, come l’editing genetico negli esseri umani.
Un mini computer alimentato dal cervello è lontano anni. “Ci vorranno decenni prima di raggiungere l’obiettivo di qualcosa di paragonabile a qualsiasi tipo di computer”, ha detto Hartung. Ma è già tempo di iniziare a lanciare il programma, consolidare più tecnologie in diversi campi e impegnarsi in discussioni etiche.
“In definitiva, puntiamo a una rivoluzione nell’informatica biologica che potrebbe superare molte delle limitazioni dell’informatica basata sul silicio e dell’IA e avere implicazioni significative a livello mondiale”, ha dichiarato il team.
Immagine: Jesse Plotkin/Università Johns Hopkins
