Betekenisvolle stappen richting Organoid Intelligence worden ondernomen

Artificial Intelligence (AI) is een bekende term in de technologische wereld van vandaag, die talloze aspecten van ons dagelijks leven vormgeeft. Er ontstaat echter een nieuw grensgebied in de wetenschap – Organoid Intelligence (OI) – dat, hoewel niet zo breed erkend als AI, een opmerkelijk potentieel heeft. Maar wat is Organoid Intelligence precies, en waarom trekt het de aandacht in wetenschappelijke kringen?

The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) defines Organoid Intelligence as a “collective effort to promote the use of brain organoids—tiny spherical masses of brain tissue grown from stem cells—for computation, drug research, and as a model to study at a small scale how a complete brain may function.”

De organisatie wijst ook op twee baanbrekende onderzoeken die de ontwikkeling van organoïden mogelijk hebben gemaakt. We komen hier later op terug. Maar eerst gaan we dieper in op wat de wetenschappelijke gemeenschap denkt over het potentieel van Organoid Intelligence.

Een bezorgd team onderzoekers gelooft dat OI‑gebaseerde biocomputingsystemen snellere besluitvorming mogelijk zullen maken. Ze zullen continu leren tijdens taken en meer energie‑ en gegevens‑efficiëntie in het proces introduceren. Ze zouden ook helpen de pathofysiologie achter ernstig schadelijke ontwikkelings‑ en degeneratieve ziekten zoals dementie te begrijpen. Logischerwijs zal dit ook de behandeling van deze ziekten ondersteunen door nieuwe therapeutische benaderingen te identificeren.

Gezien het enorme vermogen van OI om goed te doen, worden meerdere betekenisvolle stappen richting Organoid Intelligence (OI) ondernomen. We zullen ze in de komende segmenten bekijken. Maar we beginnen met de twee baanbrekende onderzoeken over organoïdontwikkeling die we al hebben genoemd.

Door geïnduceerde pluripotente stamcellen afgeleide organoïden

IPSC‑afgeleide organoïden kwamen tijdens de COVID‑19‑uitbraak onder de aandacht. Een wetenschappelijk onderzoekspapier gaf details over IPSC‑afgeleide luchtwegorganoïden, hersenorganoïden, darmorganoïden, leverorganoïden, bloedvatorganoïden, nierorganoïden, binnenoororganoïden, enz. Gezien deze variëteit zal onze discussie zich nu beperken tot specifiek de hersenorganoïden.

Het papier somt drie cruciale punten op: 

• Voor het eerst ontwikkelden wetenschappers hersenorganoïden met behulp van spontane differentiatie van embryonale lichamen (EB’s).
• De eerste hersenorganoïden waren zeer heterogeen.
• De heterogeniteit leidde ertoe dat onderzoekers regio‑specifieke hersenorganoïden ontwikkelden door specifieke signaalroutes te beïnvloeden.

Een ander onderzoek dat de ontwikkeling van organoïden hielp, betrof 3D‑celkweektechnieken.

3D Celkweek

De motivatie achter het ontwikkelen van 3D‑celkweektechnieken kwam voort uit de tekortkomingen die werden waargenomen bij het kweken van cellen in twee dimensies. Tweedimensionale celkweekpraktijken en -methoden slagen er niet in de anatomie of fysiologie van weefsel te reproduceren voor informatieve of bruikbare studies.

3D‑celkweektechnieken – aan de andere kant – liggen dichter bij de fysiologie van dieren en mensen. En naarmate ze meer volwassen worden, zullen ze helpen bij het ontwerpen en ontwikkelen van co‑kweek. Deze technieken kunnen nuttig blijken bij het engineereren van weefsels voor klinische levering en het ontwikkelen van modellen voor medicijnscreenings.

Dergelijke vooruitgangen in 3D‑celkweek zijn ook cruciaal in het onderzoek rond IPSC‑afgeleide organoïden en organoid intelligence. IPSC’s kunnen bijvoorbeeld uitgroeien tot elke cel die in een dierlijk lichaam voorkomt.

3D‑kweektechnieken en 3D‑skeletmethoden helpen biologen specifiek bij het verticaal en horizontaal laten groeien van IPSC‑afgeleide neurale weefsels, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor het ontwikkelen van de inter‑neurale netwerken die in een dierlijk brein worden waargenomen.

Het repliceren van dit ingewikkelde netwerk helpt dieper in te gaan op organoid intelligence en meer geavanceerde methoden te ontwikkelen.

Brain Organoid Reservoir Computing voor AI

Onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Nature Electronics wijst op de behaalde resultaten in hersen‑geïnspireerde computerhardware die de structuur en werkprincipes van het brein nabootst. Onderzoekers geloven dat deze ontwikkeling het potentieel heeft om de huidige beperkingen van AI aan te pakken.

Het onderzoek meldt met name een AI‑hardwarebenadering die adaptieve reservoircomputatie van biologische neurale netwerken in een hersenorganoïde benut. De benadering heet Brainoware. Het draait om het uitvoeren van berekeningen door informatie naar en van de hersenorganoïde te sturen via een hoogdichte multielektrodenarray.

Organische halfgeleider synthese: Nieuwe horizonnen openen voor superefficiënte elektronische apparaten

Een team van onderzoekers aan de afdeling Chemie van UNIST heeft de ruimte verder geopend voor innovatiekansen door een doorbraak te bereiken in organische halfgeleider synthese. De onderzoekers rapporteerden de synthese en karakterisering van een B2N2‑anthracen‑derivaat met een BNBN‑eenheid gevormd door de BOBN‑eenheid aan de zigzag‑rand om te zetten. De bevindingen worden verwacht te helpen bij het ontwikkelen van grotere acenen met meerdere BN‑eenheden die vele toepassingen zullen hebben in organische elektronica.

Volgens Songhua Jeong, de eerste auteur van deze studie:

“Onze studie over anthracen, een type aceen dat breed wordt erkend als een organische halfgeleider, heeft de basis gelegd voor toekomstige vooruitgangen in het veld.”

Meneer Jeong ging verder met zeggen: 

“De continue BN‑binding gesynthetiseerd door dit onderzoek heeft een groot potentieel voor toepassingen in organische halfgeleiders.”

Met divers onderzoek dat nieuwe wegen opent voor Organoid Intelligence om te floreren, zeggen experts op dit gebied dat organoid intelligence krachtig genoeg zou kunnen worden om onze computers in de toekomst aan te drijven.

Een toekomst lijkt niet langer onrealistisch, waarin in het laboratorium gekweekte hersencellen grote hoeveelheden data zouden opslaan en ophalen met minder energiebehoefte. Met verdere opschaling kunnen deze oplossingen zelfs een bewustzijn ontwikkelen om zelf te denken of te voelen.

Organoid Intelligence: Workshops en financiering

Diverse inspanningen zijn gaande om verder te overleggen over het potentieel van organoid intelligence.

Tussen 22 en 24 februari 2022 organiseerde Johns Hopkins University de eerste Organoid Intelligence workshop. Het doel was om een OI‑gemeenschap te vormen en de basis te leggen voor het vestigen van OI als een nieuwe wetenschappelijke discipline. De motivatie achter de workshop kwam voort uit de overtuiging dat OI de informatica, neurologisch onderzoek en medicijnontwikkeling radicaal zou kunnen veranderen.

Verdere bevestiging van het potentieel van OI kwam toen de United States National Science Foundation Directorate for Engineering een nieuw gebied plande voor het Emerging Frontiers in Research and Innovation (EFRI) programma in FY 2024, en het werd ‘Engineering Organoid Intelligence‘ genoemd.

De NSF staat bekend om het ondersteunen van wetenschap‑ en ingenieursonderzoek en de betrokken mensen door faciliteiten, instrumenten en financiering te bieden. De NSF had een budget van US$9,5 billion in het fiscale jaar 2023. Deze fondsen bereiken alle vijftig staten in de VS via subsidies die worden toegekend aan bijna 2 000 hogescholen, universiteiten en instellingen.

Het onderwerp ‘Engineering Organoid Intelligence’ is gericht op het ondersteunen van fundamenteel onderzoek naar de ontwikkeling van ontworpen biocomputers via hersenorganoïden. De NSF geloofde dat organoïdculturen binnenkort interfaces met elektronica zouden hebben om input te leveren en output te exporteren naar externe digitale systemen.

Naast universiteiten, onderzoeksinstellingen en overheidsdepartementen hebben veel bedrijven de taak op zich genomen om organoid intelligence te bevorderen. We zullen nu enkele van die bedrijven en hun inspanningen bekijken.

#1. Final Spark

Opgericht door Martin Kutter en Fred Jordan in 2014 en gevestigd in Zwitserland, pleit Final Spark voor biologische chipprocessoren die veel minder energie verbruiken.

Zoals de startup beweert, heeft ze al 10 million neurons geprobeerd in haar poging om denkende machines te bouwen uit levende menselijke neuronen afgeleid van huid.

De startup maakt gebruik van geavanceerde celkweektechnieken om de zelfonderhoudende rekencapaciteit te tonen voor de creatie van toekomstige AI‑modellen.

#2. BiologiC en NVIDIA

BiologiC Technologies, een bedrijf gevestigd in Cambridge, VK, staat bekend om zijn biocomputers, die het bedrijf definieert als een “geautomatiseerd programmeerbaar en herconfigureerbaar bioprocessplatform voor meerdere biologische toepassingen.”

De gepatenteerde hardware‑architectuur van de oplossing heeft vier kernmodules: 

• De geavanceerde routeringskern helpt bij het transport van vloeistoffen en biogassen door het systeem.
• Het invoer‑ en uitvoerblok helpt bij het regelen van het laden van grondstoffen en de output van het uiteindelijke bioproduct.
• Het BPU‑model ondersteunt bioprocessactiviteiten zoals celgroei, in‑vitro transcriptie, enz.
• Ten slotte helpt de sensor‑coremodule bij realtime monitoring van de bioprocessomgeving.

Op 13 maart 2023 trad BiologiC Technologies toe tot NVIDIA (NVDA ) Inception, een programma dat BiologiC zal helpen edge computing en AI te integreren in haar biocomputers. Deze integratie zal uiteindelijk de biocomputers van BiologiC revolutionaire verbeteringen brengen in hun biologische verwerkingsfaciliteiten en de dreiging van ziekten op een duurzame, toegankelijke en betaalbare manier verminderen.

Volgens beschikbare informatie heeft CPI Enterprises geïnvesteerd in BiologiC. CPI investeert in high‑potential deep tech voor bedrijven om snel op te schalen, en vervult zowel de rol van investeerder als technische ondersteuningsprovider.

Volgens Frank Millar, de CEO van CPI: 

“Na een langdurige nauwe samenwerking zijn we onder de indruk van de snelheid van uitvoering en de commerciële tractie van BiologIC. We zien sterke voordelen in het bio‑computersysteem van BiologIC en het vermogen om de bioproductiviteit te verhogen ten opzichte van de concurrentie in de sector.”

Op 21 november 2023 meldde NVIDIA een omzet voor het derde kwartaal eindigend op 29 oktober 2023 van $18,12 billion, een stijging van 206 % ten opzichte van een jaar geleden en 34 % ten opzichte van het vorige kwartaal.

#3. BioMap en MBUZAI: Gezamenlijke inspanningen voor het creëren van een biocomputing‑lab 

Op 14 maart 2023 sloeg BioMap een strategische samenwerking met de Mohamed bin Zayed University of Artificial Intelligence (MBZUAI) om het eerste biocomputing‑innovatieonderzoekslaboratorium in het Midden‑Oosten te introduceren en te voldoen aan de behoeften van levenswetenschappelijke scenario’s in de regio.

De samenwerking zou BioMap’s cross‑modale bio‑computingmodel, xTrimo (Cross‑model Transformer Representation of Interactome and Multi‑Omics), verkennen om grootschalige levenswetenschappelijke modellen te realiseren in eiwitgeneratie, eiwitstructuurvoorspelling, cel‑functievoorspelling en andere levenswetenschappelijke taken.

De focus zal liggen op het behalen van doorbraken in AI‑gegenereerde eiwitten (AIGP) om te helpen bij de behoefte van het Midden‑Oosten aan medische zorg, medicijnontwerp, energie en milieubescherming.

Naast eiwitontwerp zullen de mogelijkheden van BioMap ook helpen bij sterke celkarakteriseringscapaciteiten, nauwkeurige eerste modellering van immuuncellen, en meer.

Mede‑opgericht door Baidu‑CEO Robin Li, helpt BioMap de beste AI‑ en biotech‑capaciteiten te combineren om de meest cruciale problemen in de levenswetenschappenindustrie aan te pakken, zoals target discovery, de‑novo medicijnontwerp en enzymoptimalisatie.

De Chinese startup voor biologische computing raised more than US$100 million in serie‑A financiering, volgens rapporten gepubliceerd in augustus 2021. De ronde werd geleid door CGV Capital. Andere investeerders waren Baidu, Legend Capital, Bluerun Ventures en Xianghe Capital.

Welke richting OI opgaat?

Ongetwijfeld heeft OI de verbeelding van de wetenschappelijke gemeenschap gevangen. Geavanceerde technologische bedrijven en denkers investeren ook middelen. Hoe de toekomst zich zal vormen voor OI hangt echter af van een paar cruciale aspecten die verband houden met de ontwikkelingsaard ervan.

Het succes van OI als een revolutionaire technologische innovatie zou afhangen van hoe snel, efficiënt en krachtig het kan worden in vergelijking met silicium‑gebaseerde computing en AI. Bovendien moeten verbeterde normen voor snelheid, efficiëntie en vermogen lagere energie‑eisen hebben om het aantrekkelijker en kosteneffectiever te maken.

In de toekomst moet OI echt multidisciplinair worden, aangezien het een zeer complexe en ingewikkelde oefening is om huidige hersenorganoïden op te schalen naar duurzame 3D‑structuren. Deze structuren zullen vol zitten met cellen en genen die mensen helpen nieuwe, complexe dingen te leren.

Bovendien zou het ontwerpen van de ideale biocomputers vereisen dat deze organoïden worden verbonden met geavanceerde input‑ en outputapparaten, met name elektronische die zijn uitgerust met high‑end AI‑ en machine‑learning‑systemen.

Onderzoekers op dit gebied geloven dat er een grote behoefte is aan nieuwe en geavanceerde modellen, algoritmen en interface‑technologieën om effectieve en betekenisvolle communicatie met deze hersenorganoïden tot stand te brengen. Om de output top‑klasse te maken, moeten makers weten hoe ze leren, berekenen, verwerken en de data opslaan.

De omvang van data, zoals al duidelijk is, zal massaal en enorm in volume zijn.

In de tussentijd zal OI‑onderzoek ook helpen ons begrip te verbeteren van hoe het brein en zijn diepe en ingewikkelde neurologische netwerk functioneren. Deze inzichten zullen helpen patiënten die lijden aan neurologische aandoeningen beter te behandelen.

Ten slotte zou het repliceren van de capaciteiten van een menselijk brein in een laboratoriumomgeving een prestatie kunnen worden met enorme consequenties. Het potentieel voor misbruik kan aanzienlijk hoog zijn. Daarom moet de wetenschappelijke gemeenschap vanaf het allereerste begin ervoor zorgen dat onderzoek en ontwikkeling rond OI zeer gevoelig blijven voor de ethische systemen van onze samenleving. Het ethische kader mag niet minder zijn dan een bepalend paradigma voor OI om in de toekomst te floreren.

Klik hier voor de lijst van de meest veelbelovende biotech‑aandelen.