Passi Significativi Verso l’Intelligenza Organoide in Corso

Intelligenza Artificiale (AI) è diventata un termine familiare nel mondo tecnologico odierno, modellando numerosi aspetti della nostra vita quotidiana. Tuttavia, sta emergendo una nuova frontiera nel campo della scienza – Organoid Intelligence (OI) – che, sebbene non sia così ampiamente riconosciuta come l’AI, possiede un potenziale notevole. Ma cos’è esattamente l’Intelligenza Organoide e perché sta attirando l’attenzione nella comunità scientifica?

L’Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) definisce l’Intelligenza Organoide come uno “sforzo collettivo per promuovere l’uso di organoidi cerebrali — piccole masse sferiche di tessuto cerebrale coltivate da cellule staminali — per il calcolo, la ricerca farmacologica e come modello per studiare su piccola scala come potrebbe funzionare un cervello completo.”

L’organizzazione evidenzia anche due ricerche rivoluzionarie che hanno reso possibile lo sviluppo degli organoidi. Ne parleremo tra poco. Ma prima, approfondiremo cosa pensa la comunità scientifica del potenziale dell’Intelligenza Organoide.

Un team di ricercatori preoccupato crede che i sistemi di biocomputazione basati su OI consentiranno decisioni più rapide. Aiuteranno ad apprendere continuamente durante i compiti e introdurranno una maggiore efficienza energetica e dei dati nel processo. Contribuiranno anche a comprendere la fisiopatologia di malattie di sviluppo e degenerative gravemente dannose, come la demenza. Naturalmente, aiuteranno anche nel trattamento di queste malattie identificando nuovi approcci terapeutici.

Data l’immensa capacità dell’OI di fare del bene, stanno venendo intrapresi molte iniziative significative verso l’Intelligenza Organoide (OI). Le esamineremo nei segmenti successivi. Ma inizieremo con i due studi rivoluzionari sullo sviluppo degli organoidi già menzionati.

Organiidi Derivati da Cellule Staminali Pluripotenti Indotte

Gli organoidi derivati da IPSC sono entrati in discussione durante la pandemia di COVID-19. Un articolo scientifico ha elencato dettagli su organoidi delle vie aeree, organoidi cerebrali, organoidi intestinali, organoidi epatici, organoidi vascolari, organoidi renali, organoidi dell’orecchio interno, ecc. Data questa varietà, la nostra discussione ora si concentrerà specificamente sugli organoidi cerebrali.

L’articolo elenca tre punti cruciali:

• Per la prima volta, gli scienziati hanno sviluppato organoidi cerebrali usando la differenziazione spontanea di corpi embrionali (EB).
• I primi organoidi cerebrali erano altamente eterogenei.
• L’eterogeneità ha portato i ricercatori a sviluppare organoidi cerebrali specifici per regione influenzando percorsi di segnalazione specifici.

Un’altra ricerca che ha favorito lo sviluppo degli organoidi è stata quella sulle tecniche di coltura cellulare 3D.

Coltura Cellulare 3D

La motivazione alla base dello sviluppo delle tecniche di coltura cellulare 3D è derivata dalle inadeguatezze osservate nella coltura di cellule in due dimensioni. Le pratiche e i metodi di coltura cellulare bidimensionale non riescono a riprodurre l’anatomia o la fisiologia del tessuto per studi informativi o utili.

Le tecniche di coltura cellulare 3D – d’altro canto – sono più vicine alla fisiologia animale e umana. E man mano che maturano, aiuteranno a progettare e sviluppare co-colture. Queste tecniche potrebbero rivelarsi utili nell’ingegneria di tessuti per la somministrazione clinica e nello sviluppo di modelli per lo screening di farmaci.

Tali progressi nella coltura cellulare 3D sono anche fondamentali nella ricerca sugli organoidi derivati da IPSC e sull’intelligenza organoide. Le IPSC, ad esempio, possono svilupparsi in qualsiasi cellula presente nel corpo di un animale.

Le tecniche di coltura 3D e i metodi di scaffolding 3D, in particolare, aiutano i biologi a far crescere tessuti neurali derivati da IPSC verticalmente e orizzontalmente, aprendo la strada allo sviluppo delle reti inter-neuronali osservate nel cervello di un animale.

Replicare questa rete intricata aiuta ad approfondire l’intelligenza organoide e a sviluppare metodi più sofisticati.

Computazione a Riserva con Organoidi Cerebrali per l’AI

Ricerca pubblicata nella rivista Nature Electronics evidenzia i risultati registrati nell’hardware di calcolo ispirato al cervello che emula la struttura e i principi di funzionamento del cervello. I ricercatori credono che questo sviluppo abbia il potenziale di affrontare le attuali limitazioni dell’AI.

La ricerca, in particolare, descrive un approccio hardware AI che sfrutta il calcolo a riserva adattivo di reti neurali biologiche in un organoide cerebrale. L’approccio è chiamato Brainoware. Si basa sull’esecuzione del calcolo inviando e ricevendo informazioni dall’organoide cerebrale tramite un array multielettrodo ad alta densità.

Sintesi di Semiconduttori Organici: Aprire Nuovi Orizzonti per Dispositivi Elettronici Super-Efficienti

Un team di ricercatori del Dipartimento di Chimica dell’UNIST ha facilitato lo spazio per ulteriori opportunità di innovazione raggiungendo una svolta nella sintesi di semiconduttori organici. I ricercatori hanno riportato la sintesi e la caratterizzazione di un derivato di antracene B2N2 con un’unità BNBN formata convertendo l’unità BOBN al bordo a zigzag. I risultati dovrebbero aiutare a sviluppare ancheni più grandi con più unità BN che avranno molte applicazioni nell’elettronica organica.

Secondo Songhua Jeong, primo autore di questo studio:

“Il nostro studio sull’antracene, un tipo di ancene ampiamente riconosciuto come semiconduttore organico, ha posto le basi per futuri progressi nel campo.”

Il signor Jeong ha poi aggiunto:

“Il legame BN continuo sintetizzato attraverso questa ricerca ha un grande potenziale per applicazioni nei semiconduttori organici.”

Con ricerche diverse che aprono nuove vie per l’Intelligenza Organoide, gli esperti del settore affermano che l’intelligenza organoide potrebbe diventare sufficientemente potente da alimentare i nostri computer in futuro.

Un futuro non appare più irrealistico, in cui cellule cerebrali coltivate in laboratorio potrebbero immagazzinare e recuperare grandi quantità di dati con minori richieste energetiche. Con ulteriori scalature, queste soluzioni potrebbero persino sviluppare una coscienza capace di pensare o sentire autonomamente.

Intelligenza Organoide: Workshop e Finanziamenti

Diversi sforzi sono in corso per approfondire ulteriormente il potenziale dell’intelligenza organoide.

Tra il 22 e il 24 febbraio 2022, la John Hopkins University ha tenuto il primo workshop sull’Intelligenza Organoide. Lo scopo era formare una comunità OI e formulare le basi per stabilire l’OI come nuova disciplina scientifica. La motivazione del workshop nasceva dalla convinzione che l’OI potesse alterare radicalmente il calcolo, la ricerca neurologica e lo sviluppo di farmaci.

Una ulteriore validazione del potenziale dell’OI è arrivata quando la United States National Science Foundation Directorate for Engineering ha pianificato una nuova area per il programma Emerging Frontiers in Research and Innovation (EFRI) nell’anno fiscale 2024, denominata “Engineering Organoid Intelligence”.

La NSF è nota per supportare la ricerca scientifica e ingegneristica e le persone correlate fornendo strutture, strumenti e finanziamenti. La NSF aveva un budget di 9,5 miliardi di dollari negli Stati Uniti nel 2023. Questi fondi raggiungono tutti i cinquanta stati statunitensi tramite sovvenzioni a quasi 2.000 college, università e istituzioni.

Il tema “Engineering Organoid Intelligence” mira a sostenere la ricerca fondamentale sullo sviluppo di biocomputer ingegnerizzati tramite organoidi cerebrali. La NSF credeva che le colture di organoidi avrebbero presto interfacce con l’elettronica per fornire input ed esportare output a sistemi digitali esterni.

Oltre alle università, istituti di ricerca e dipartimenti governativi, molte aziende hanno adottato la causa di avanzare l’intelligenza organoide. Ora esamineremo alcune di queste aziende e i loro progetti.

#1. Final Spark

Fondata da Martin Kutter e Fred Jordan nel 2014 e con sede in Svizzera, Final Spark promuove processori a chip biologici che consumano molta meno energia.

Come afferma la startup, ha già testato 10 milioni di neuroni nel suo tentativo di costruire macchine pensanti da neuroni umani vivi derivati dalla pelle.

La startup sta sfruttando tecniche sofisticate di coltura cellulare per dimostrare la capacità di calcolo autosufficiente per la creazione di futuri modelli di AI.

#2. BiologiC e NVIDIA

BiologiC Technologies, azienda con sede a Cambridge, Regno Unito, è nota per i suoi biocomputer, che l’azienda definisce “una piattaforma bioprocessuale automatizzata, programmabile e riconfigurabile per molteplici applicazioni biologiche.”

L’architettura hardware brevettata della soluzione comprende quattro moduli principali:

• Il core di routing avanzato aiuta a trasportare liquidi e biogas attraverso il sistema.
• Il blocco di input e output controlla il caricamento delle materie prime e l’output del prodotto biotecnologico finale.
• Il modello BPU supporta attività di bioprocessazione come crescita cellulare, trascrizione in vitro, ecc.
• Infine, il modulo core sensore consente il monitoraggio in tempo reale dell’ambiente bioprocessuale.

Il 13 marzo 2023, BiologiC Technologies ha aderito a NVIDIA (NVDA ) Inception, un programma che aiuterà BiologiC a integrare edge computing e AI nei suoi biocomputer. Questa integrazione aiuterà infine i biocomputer di BiologiC a portare miglioramenti rivoluzionari nelle strutture di processamento biologico e a ridurre la minaccia delle malattie in modo sostenibile, accessibile e conveniente.

Secondo le informazioni disponibili, CPI Enterprises ha investito in BiologiC. CPI investe in deep tech ad alto potenziale per consentire alle aziende di scalare rapidamente, svolgendo sia il ruolo di investitore che di fornitore di supporto tecnico.

Secondo Frank Millar, amministratore delegato di CPI:

“Avendo collaborato strettamente per un lungo periodo, siamo impressionati dalla rapidità di esecuzione e dalla trazione commerciale di BiologIC. Vediamo forti vantaggi nel sistema biocomputer di BiologIC e nella capacità di aumentare la produttività bioprocessuale rispetto alla concorrenza nel settore.”

Il 21 novembre 2023, NVIDIA ha riportato ricavi per il terzo trimestre conclusosi il 29 ottobre 2023, pari a 18,12 miliardi di dollari, con un aumento del 206 % rispetto all’anno precedente e del 34 % rispetto al trimestre precedente.

#3. BioMap e MBUZAI: Sforzi Condivisi per Creare un Laboratorio di Biocomputazione 

Il 14 marzo 2023, BioMap ha stipulato una collaborazione strategica con la Mohamed bin Zayed University of Artificial Intelligence (MBZUAI) per introdurre il primo laboratorio di ricerca sull’innovazione biocomputazionale in Medio Oriente e rispondere alle esigenze dei casi di vita scientifica nella regione.

La cooperazione esplorerà il modello di bio-computazione cross-modale di BioMap, xTrimo (Cross-model Transformer Representation of Interactome and Multi-Omics), per realizzare modelli di scienze della vita su larga scala nella generazione di proteine, previsione della struttura proteica, previsione della funzione cellulare e altri compiti delle scienze della vita.

L’obiettivo sarà raggiungere progressi nelle proteine generate dall’AI (AIGP) per supportare le necessità mediche, di progettazione di farmaci, energetiche e di protezione ambientale del Medio Oriente.

Oltre al design proteico, le capacità di BioMap aiuteranno a ottenere forti capacità di caratterizzazione cellulare, modellazione precisa di cellule immunitarie per la prima volta e altro ancora.

Co-fondata dal CEO di Baidu, Robin Li, BioMap combina le migliori capacità di AI e biotecnologia per affrontare i problemi più cruciali nell’industria delle scienze della vita, come la scoperta di target, il design di farmaci de‑novo e l’ottimizzazione di enzimi.

La startup cinese di calcolo biologico ha raccolto più di 100 milioni di dollari in finanziamento di serie A, secondo i rapporti pubblicati ad agosto 2021. Il round è stato guidato da CGV Capital. Altri investitori includono Baidu, Legend Capital, Bluerun Ventures e Xianghe Capital.

Quale Direzione Prenderà l’OI?

Indubbiamente, l’OI ha catturato l’immaginazione della comunità scientifica. Anche aziende tecnologiche sofisticate e menti brillanti stanno investendo risorse. Tuttavia, il futuro dell’OI dipenderà da alcuni aspetti cruciali legati alla sua natura di sviluppo.

Il successo dell’OI come innovazione tecnologica rivoluzionaria dipenderà da quanto rapidamente, efficientemente e potenti potrà diventare rispetto al calcolo basato su silicio e all’AI. Inoltre, standard migliorati di velocità, efficienza e potenza dovranno richiedere meno energia per renderla più attraente e conveniente.

In futuro, l’OI dovrà diventare veramente multidisciplinare poiché è un compito altamente complesso e intricato scalare gli attuali organoidi cerebrali in strutture 3D durevoli. Queste strutture saranno piene di cellule e geni che aiuteranno gli esseri umani a imparare cose nuove e complesse.

Inoltre, ideare i biocomputer ideali richiederà collegare questi organoidi a dispositivi di input e output all’avanguardia, in particolare elettronici dotati di sistemi AI e di apprendimento automatico di alto livello.

I ricercatori del settore ritengono che vi sia un grande bisogno di nuovi e sofisticati modelli, algoritmi e tecnologie di interfaccia per stabilire una comunicazione efficace e significativa con questi organoidi cerebrali. Per rendere l’output di livello superiore, i creatori devono comprendere come apprendono, calcolano, elaborano e memorizzano i dati.

L’ambito dei dati, come già evidente, sarà massiccio e immenso in volume.

Nel periodo intermedio, la ricerca sull’OI aiuterà anche a migliorare la nostra comprensione di come il cervello e la sua rete neurologica profonda e intricata funzionino. Questa comprensione aiuterà a trattare meglio i pazienti affetti da malattie neurologiche.

Infine, replicare le capacità di un cervello umano in un ambiente di laboratorio potrebbe diventare un risultato con enormi conseguenze. Il potenziale di abuso potrebbe essere significativamente alto. Pertanto, fin dai primi giorni, la comunità scientifica deve garantire che la ricerca e lo sviluppo sull’OI rimangano molto sensibili ai sistemi etici della nostra società. Il quadro etico dovrebbe essere almeno un paradigma definente affinché l’OI prosperi in futuro.

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