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- Investigadores publicaron un plan de acción para la creación de biocomputadoras implementando organoides cerebrales que actuarían como hardware biológico
Un grupo de investigadores de la Universidad de Johns Hopkins de Estados Unidos está trabajando para crear computadoras impulsadas por células cerebrales humanas, las cuales forman parte de un nuevo campo llamado inteligencia organoide (IO), que actuaría como un hardware biológico.
Los expertos, que describieron el plan de acción en una publicación en la revista Frontiers in Science, destacan que los recientes avances en organoides cerebrales derivados de células madre humanas prometen replicar aspectos moleculares y celulares del aprendizaje y la memoria, así como aspectos de la cognición in vitro.
“(El proyecto) tiene como objetivo establecer la IO como una forma de computación biológica genuina que aprovecha los organoides cerebrales utilizando avances científicos y de bioingeniería de una manera éticamente responsable”, indicaron los investigadores.
¿Qué son los organoides?
La compañía Molecular Devices define a los organoides como microtejidos multicelulares tridimensionales (3D) derivados de células madre que se han diseñado para recrear fielmente la compleja estructura y funcionalidad de órganos humanos.
“Los organoides son multicelulares y muestran un elevado orden de autoensamblaje que permite una representación incluso mejor de respuestas e interacciones celulares in vitro complejas”, detalla el proveedor de sistemas de medición bioanalítica en su página web.
Por su parte, los organoides cerebrales, aunque no se parecen a versiones diminutas del cerebro humano, contienen neuronas capaces de realizar funciones similares a las del cerebro, formando múltiples conexiones.
Estudios
Thomas Hartung, profesor de Salud Medioambiental e Ingeniería en la Escuela Bloomberg de Salud Pública y la Escuela Whiting de Ingeniería de la Universidad Johns Hopkins de Baltimore, precisó que aunque la informática y la inteligencia artificial (IA) han impulsado la revolución tecnológica, están alcanzando un límite.
“La bioinformática supone un enorme esfuerzo de compactación y aumento de la eficiencia para superar nuestros límites tecnológicos actuales”, señaló en un comunicado Hartung, quien es el autor principal del estudio.
Durante casi dos décadas, los científicos han utilizado pequeños organoides para experimentar con riñones, pulmones y otros órganos sin recurrir a pruebas en humanos o animales. Recientemente, Hartung y sus colegas han estado trabajando con organoides cerebrales con neuronas y otras características que prometen mantener funciones básicas como aprender y recordar.
Los investigadores prevén combinar la potencia de los organoides cerebrales en un tipo de hardware biológico más eficiente energéticamente que las supercomputadoras. En este sentido, estas biocomputadoras emplearían redes de organoides cerebrales para revolucionar las pruebas farmacéuticas de enfermedades como el alzhéimer, proporcionar información sobre el cerebro humano y cambiar el futuro de la informática.
El cerebro humano sigue siendo superior
Luego de que los pioneros de las células madre, John B. Gurdon y Shinya Yamanaka recibieron el Premio Nobel en 2012 por desarrollar una técnica que permitía generar células a partir de tejidos completamente desarrollados como la piel, científicos como Hartung empezaron a desarrollar organoides cerebrales que se utilizaron para imitar cerebros vivos.
El objetivo de estos desarrollos era probar e identificar medicamentos que pudieran suponer riesgos para la salud cerebral. Posteriormente, el doctor Thomas Hartung se planteó la posibilidad de dar información a los organoides sobre su entorno y cómo interactuar con él.
El investigador destacó que el cerebro aún no tiene comparación con las computadoras modernas.
“Frontier, la supercomputadora más reciente de Kentucky, es una instalación de 6800 pies cuadrados de 600 millones de dólares. Solo en junio del año pasado, superó por primera vez la capacidad computacional de un solo cerebro humano, pero usando un millón de veces más energía”, detalló.
Aseveró que podrían pasar décadas antes de que la inteligencia organoide pueda impulsar un sistema tan inteligente como el de un ratón. Sin embargo, precisó que al aumentar la producción de organoides cerebrales y entrenarlos con inteligencia artificial, se prevé un futuro en el que las biocomputadoras tengan velocidades de computación, potencia de procesamiento, eficiencia de datos y capacidades de almacenamiento superiores.
“Tomará décadas antes de que logremos el objetivo de algo comparable a cualquier tipo de computadora. Pero si no empezamos a crear programas de financiación para esto, será mucho más difícil”, agregó.
¿Cómo funcionarán las biocomputadoras?
Los investigadores señalan que cada organoide contiene unas 50.000 células, aproximadamente del tamaño del sistema nervioso de una mosca de fruta. Es decir, la dimensión de un organoide es una tres millonésima parte del cerebro humano, lo que equivale a unos 800 megabytes de memoria.
“Son demasiado pequeños, cada uno contiene unas 50.000 células. Para la inteligencia organoide, tendríamos que aumentar este número a 10 millones”, explicó Hartung.
Los científicos indican que también necesitan formas de comunicarse con los organoides para enviarles información y recibir lecturas de lo que “piensan”. En este sentido, los autores del estudio desarrollaron un plan que incluye herramientas de bioingeniería y aprendizaje automático, junto con nuevas innovaciones.
El científico espera que algún día exista un canal de comunicación beneficioso entre la inteligencia artificial y la inteligencia organoide que permita a ambas explorar las capacidades de la otra.
Sostuvo que las computadoras que funcionan con este hardware biológico podrían comenzar en la próxima década a aliviar las demandas de consumo de energía de la supercomputación: que se están volviendo cada vez más insostenibles”.
Beneficios de la inteligencia organoide
Lena Smirnova, profesora asistente de ingeniería y salud ambiental de la Universidad Johns Hopkins que codirige las investigaciones, precisó que la inteligencia organoide también podría revolucionar la investigación de pruebas de drogas para los trastornos del neurodesarrollo y la neurodegeneración.
“Queremos comparar organoides cerebrales de donantes típicamente desarrollados versus organoides cerebrales de donantes con autismo”, dijo Smirnova.
Además, señaló que las herramientas que están desarrollando para la computación biológica son las mismas que permitirán comprender los cambios en las redes neuronales específicas para el autismo, sin tener que usar animales o acceder a los pacientes. Esto ayudaría a comprender los mecanismos subyacentes de por qué los pacientes tienen esa cognición.
De acuerdo a lo reseñado por CNN, los organoides cerebrales podrían desarrollarse a partir de muestras de piel de pacientes con trastornos neuronales. Lo que permitiría a los científicos probar cómo podrían afectarles distintos medicamentos y otros factores.
“Con la inteligencia organoide podríamos estudiar también los aspectos cognitivos de las afecciones neurológicas. Por ejemplo, podríamos comparar la formación de memoria en organoides derivados de personas sanas y de enfermos de alzhéimer, e intentar reparar los déficits relativos”, afirmó Hartung.
El investigador indicó que también podrían utilizar los organoides para comprobar si determinadas sustancias, como los pesticidas, causan problemas de memoria o aprendizaje.
¿Qué tan lejos se está de la primera inteligencia organoide?
Aunque la IO todavía está en sus inicios, un reciente estudio publicado por uno de los coautores del artículo, el Dr. Brett Kagan de Cortical Labs, proporciona una prueba de concepto. Su equipo demostró que un cultivo de células cerebrales planas y normales puede aprender a jugar al videojuego Pong.
“Su equipo ya está probando esto con organoides cerebrales.Y diría que replicar este experimento con organoides ya cumple con la definición básica de IO. De aquí en adelante, solo se trata de construir la comunidad, las herramientas y las tecnologías para desarrollar todo el potencial de OI”, concluyó.
