脳オルガノイドが重要である 3 つの理由

オルガノイドは現在、最も急速に進化している科学分野の 1 つです。また、それらはさまざまな、しかし同様に魅力的な方法で進化しています。ここでは、その能力を大幅に向上させ、機械知能と競合し、神経変性疾患を予防する秘密を解明する可能性を秘めた 3 つの主要な新興手段を取り上げます。

オルガノイドとは何ですか?

オルガノイド (または集合体) は、通常は皮膚ベースの幹細胞から in vitro で増殖した機能するニューロンのクラスターです。これらの比較的複雑な生きた脳の構造は、動物または人間である可能性があり、実際の脳の外の研究室で神経力学を研究するために使用されます。

神経科学者を軽蔑するために、神経科学者はメディアで「ミニ脳」または「皿の中の脳」とよく呼ばれますが、通常は非常に小さく、その複雑さは人間の脳よりもはるかに単純であるため、これは正確ではありません。

そうは言っても、ここで説明するように、サイズと機能の複雑さを大幅に増大させるさまざまな方法が開発されています。

1. 人間と動物の脳の合成

歴史上初めて、動物は統合的脳移植によって人間の知性の一部を獲得している可能性があります。

オルガノイドの研究価値は、成長できるサイズと複雑さによってかなり制限されます。 Nature に発表された新しいアプローチでは、人間の皮質オルガノイドを生きたラットの脳に移植しました（上の写真を参照）。

統合から 6 か月後、ヒトのニューロンは新たな成熟段階に達し、in vitro で可能であったものの 6 倍の大きさに成長しました。彼らの活動は、人間の脳で観察されるより洗練された行動のいくつかをよりよくエミュレートしました。

追跡実験で、研究者らは光遺伝学を利用して遺伝子改変されたヒトのニューロンを特別に活性化し、ラットが報酬を求める頻度に影響を与えることに成功した。つまり、ラットの脳内の人間の脳細胞を制御して、ラットの行動を制御するということだ。

このアプローチは、限られた技術リソースで幹細胞から複雑な人間の脳システムを成長させる可能性を切り開きます。魅力的ではありますが、生物学研究のこの新しい領域、さらには生物学そのものは、そのようなハイブリッド生物を分類する方法を含めて、倫理的な複雑さをはらんでいます。

研究:移植されたヒト皮質オルガノイドの成熟と回路統合、Omer Revah et al.Stu

2. 合成生物学的感覚

このビデオは見た目以上のものです。実際、シミュレートされたゲームをプレイすることを学習する生物学的ニューロンとシリコンチップのハイブリッド化に初めて成功し

さまざまな生物学的脳にオルガノイドを合成するのと比較すると、この研究は、人間とげっ歯類のオルガノイドの混合物をコンピューターで直接合成することにより、全く新しい、しかし同様に気が遠くなるような方向に進んでいます。 「合成生物学的知能」(SBI) と呼ばれるこの目標は、かつては異なっていたこれらの知能の形態を相乗的に融合することです。

特に、研究者らは、従来のコンピューティングでは決して達成できなかった、オルガノイドに見られる三次の複雑さの力をもたらそうとしました。さらに、神経文化における知覚の正式な定義を達成し、感覚フィードバック学習を効果的に実証します。

この研究では、インビトロオルガノイドは、高密度の多電極アレイを介して「インシリコ」コンピューティングと統合されました。電気生理学的刺激による閉ループ構造化フィードバックを使用して、「BrainDish」と名付けられた実験が、象徴的なコンピューター ゲーム Pong のシミュレーションに組み込まれました。

集合体内のニューロンが外部刺激に適応的に反応する能力は、すべての動物の学習の基礎です。この最初の実験は非常に基本的なシミュレーションですが、目標指向の行動を通じて、シミュレートされたゲーム世界における知的で知覚的な行動を実証しました。

このアプローチは、脳が世界とどのように相互作用するかを説明する理論を支持したり、理論に異議を唱えたり、知能全般を研究したりするための、有望な新しい研究手段を提供します。また、ニューロンにはコンピューターではまだエミュレートされていないさまざまな学習特性があるため、人間のレベルを超えた機械知能の進化が直面する主要な課題を克服するための万能薬になる可能性もあります。

研究: in vitro ニューロンは、シミュレートされたゲーム世界に組み込まれたときに知覚力を学習し、発揮します、Brett J. Kagan et al.

3. OI - インテリジェンス開発のための新たな道

最初の 2 つの例では、神経科学者が当初想定していたものとは異なる進化経路をたどったオルガノイドを取り上げています。しかし、オルガノイド科学の伝統的な分野でさえまだ初期段階にあり、これは急速に変化するでしょう。

ラボシャーレ内での実用的なアクセスを維持しながら、その規模、複雑さ、機能の専門化を高めるための有望な方法が数多く登場しています。そのため、脳オルガノイドは現在、バイオコンピューティングにおける最も刺激的な研究分野の 1 つです。

従来の機械知能アプローチのレーダーにさらされていませんが、「オルガノイド知能」(OI) は、汎用人工知能 (AGI) の聖杯への最速ルートの潜在的な候補として浮上しています。

この分野の科学リーダー 20 人以上からなるコンソーシアムは最近、オルガノイド科学の推進に関する包括的な画期的な論文

彼らが主張する 6 つの主要な主張を以下に示します。

1. バイオコンピューティング (またはバイオコンピューティング) は、シリコンベースのコンピューティングや AI よりも高速、効率的、強力である可能性があり、必要なエネルギーはほんの一部だけです。

2. 「オルガノイド インテリジェンス」(OI) は、ヒトの脳細胞 (脳オルガノイド) の 3D 培養とブレインマシン インターフェイス技術を使用した生物学的コンピューティングの開発に取り組む新たな学際的分野を指します。

3. OI では、現在の脳オルガノイドを、学習に関連する細胞や遺伝子が豊富に含まれた複雑で耐久性のある 3D 構造にスケールアップし、これらを次世代の入出力デバイスや AI/機械学習システムに接続する必要があります。

4. OI では、脳オルガノイドと通信し、脳オルガノイドがどのように学習および計算し、生成する大量のデータを処理および保存するかを理解するために、新しいモデル、アルゴリズム、インターフェイス技術が必要です。

5. OI 研究はまた、脳の発達、学習、記憶についての理解を深め、認知症などの神経障害の治療法の発見に役立つ可能性があります。

6. OI が倫理的および社会的に適切な方法で発展することを保証するには、倫理学者、研究者、一般の人々からなる学際的で代表的なチームが倫理的問題を特定、議論、分析し、それらを将来の研究にフィードバックする「埋め込み倫理」アプローチが必要です。そして仕事をする。

簡単に言えば、これらの研究者らは、人間の組織のサンプルを使用して、標準的なシリコン コンピューター チップの代わりに使用できる、ますます強力な脳細胞のコレクションを増殖および操作することを望んでいます。

これらの細胞のクラスターははるかに大きくなり、3 次元で成長するため、細胞内のニューロンがより多くの接続を作成できるようになります。

これは、軌道に乗るまでに多くの科学的専門分野を必要とするテクノロジーです。一部の研究者はオルガノイドを1,000万細胞サイズまで成長させることに取り組んでおり、科学者らはこのオルガノイドが人間の脳に近い場所で機能し始めるために必要であると推定しているが、他の研究者は細胞の塊とコミュニケーションを可能にする技術を開発している。その塊に通信を返してもらいます。

この双方向通信における重要なステップは、最近、オルガノイド用の一種のEEGキャップの開発を通じて行われました。このキャップは、オルガノイドから信号を受信し、オルガノイドに信号を送信できる小さな電極で密に覆われた柔軟な殻を使用します。

しかし、非常に強力なコンピューターを構築することだけが研究者たちの目標ではありません。彼らはまた、これらの OI コンピューターを使用して神経学的状態を分析し、患者を支援したいと考えています。

オルガノイドの第一人者研究者であるトーマス・ハルトゥング氏は、次のように要約しています。また、OI を使用して、農薬などの特定の物質が記憶や学習の問題を引き起こすかどうかをテストすることもできます。」

彼らは、開発を支援する治療法を通じて人間の苦しみや病気を軽減することができ、現在人間の研究のために犠牲になっている何千頭もの動物の命を救うことができるでしょう。

研究:オルガノイド インテリジェンス (OI): バイオコンピューティングとインテリジェンス イン ア ディッシュの新たなフロンティア、L Smirnova 他。アル。

オルガノイドの倫理はどうですか?

2021年4月、米国国立科学・工学・医学アカデミーは、ミニ脳は現在、サイズ、複雑さ、成熟度の点で実質的ではないが、これらが増加するにつれて、何らかの形で発達しないとは誰も保証できないと述べた報告書を発表した。人間タイプの意識。

これが事実であれば、オルガノイドのますます高度化が倫理的な虫の缶となり、オルガノイドのさらなる開発を妨げる可能性があります。しかし、これはまた、人間ではないが人間のような意識、それ自体が画期的なものとなるでしょう。

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