Menu
Forfattere
For nylig har bioingeniørfaget, som bruger biomedicinsk viden til at løse problemer og skabe produkter, gjort store fremskridt med at skabe bittesmå, fungerende modeller af menneskelige organer, kaldet organoider. Hjernen er det mest komplekse organ i menneskekroppen. Selvom man har skabt hjerneorganoider, kan de stadig ikke udføre beregninger, lære, huske eller træffe beslutninger – “tænkende” funktioner, som man kun ser hos mennesker og dyr. Men et nyt videnskabeligt felt er ved at dukke op, som kan skabe hjerneorganoider med nogle kognitive funktioner. De nødvendige teknologier er nu tilgængelige, og forskerne er begyndt at kombinere dem. Tænkende hjernecellekulturer skaber en masse etiske spørgsmål, der skal tages stilling til, efterhånden som forskningen skrider frem. Denne artikel beskriver de teknologier, der danner grundlaget for den videnskab, der kaldes organoid intelligens (OI). I fremtiden kan OI hjælpe os med at studere hjernens funktioner, forstå hjernesygdomme, finde nye kure og måske endda føre til nye supercomputere, der er mere hjernelignende end nutidens computere.
Tror du, at den menneskelige hjerne er mere eller mindre kraftfuld end en computer? Hvis du har hørt om computerprogrammer, der slår menneskelige modstandere i komplekse strategispil som skak eller Go, tænker du måske, at computere er “smartere”. Computere kan helt sikkert behandle simpel information hurtigere end menneskehjerner, og kunstig intelligens (AI) bliver i stigende grad indarbejdet i mange almindelige teknologier, fra ansigtsgenkendelse på telefoner til streaming af videoanbefalinger. AI er en computers evne til at tænke og lære med det formål at udføre opgaver, der normalt udføres af mennesker. Det er let at tro, at AI med tiden vil overgå menneskets evner, selv når det gælder komplekse opgaver som bilkørsel. Men der er mere til historien! Den menneskelige hjernes processorkraft og lagerkapacitet er enorm: I 2013 tog det verdens fjerdestørste computer 40 minutter at modellere 1 s af 1% af et menneskes hjerneaktivitet! Den menneskelige hjernes hukommelse er omtrent lige så stor som de store computere, der findes på universiteter eller forskningsinstitutter; antallet af beregninger pr. sekund, som den menneskelige hjerne kan udføre, blev først nået af den hurtigste supercomputer i verden i år (2022). Nogle opgaver kan aldrig matches af AI – for eksempel kan et barn skelne mellem hunde og katte efter at have set omkring 10 billeder, mens AI har brug for mere end 1.000.
Lad os som et eksempel se på AlphaGo-systemet – den kunstige intelligens, der slog verdensmesteren i Go i 2016. AlphaGo blev trænet på data fra 160.000 spil [1]. Hvis et menneske spillede 5 timer om dagen hver eneste dag, ville det tage den person over 175 år at opleve det samme antal træningskampe! Det fortæller os, at hjernen er meget mere effektiv end AI til at lære, hvordan man udfører komplekse aktiviteter. Desuden kræver det meget energi at træne AI – meget mere energi end den menneskelige hjerne bruger på at lære. Hvis det tager lige lang tid for et menneske og et AI-system at lære en ny opgave, kræver AI-systemet 10 millioner gange mere energi! AlphaGos 4-ugers træning krævede mere energi, end det kræver at opretholde et aktivt voksent menneske i 10 år.
Disse sammenligninger fortæller os, at det vil være svært for AI nogensinde at overgå mennesker i komplekse opgaver som bilkørsel, der kræver realtidsindlæring i et foranderligt miljø. Det gælder især, hvis teknologivirksomhederne holder deres løfter om at begrænse den globale opvarmning ved at reducere deres CO2-udledning. I 2017 krævede det, hvad der svarer til 34 kulkraftværker for at opfylde strømbehovet i amerikanske datalagringscentre [2]! Men hvad nu, hvis vi i stedet for at forsøge at gøre computere mere lig menneskehjerner, i stedet forsøgte at gøre menneskehjerner mere computerlignende? Og hvad nu, hvis disse computerlignende menneskehjerner kunne dyrkes i et laboratorium og kobles sammen med rigtige computere? Lyder det som noget fra en science fiction-film? Selvom det stadig er i de meget tidlige stadier med masser af udfordringer forude, er denne futuristisk klingende teknologi, kaldet organoid intelligence (OI), er tættere på at blive en realitet. Som en metode til biologisk computing kan OI måske overvinde begrænsningerne ved traditionel kunstig intelligens og udføre opgaver, som tidligere var utænkelige for maskiner.
Den endelige succes med OI afhænger af vores evne til at dyrke bittesmå 3D-hjernecellekulturer, kaldet brain organoids.
Bioteknologiske modeller af hjernen, som kan udføre nogle af hjernens funktioner.
(figur 1A). Disse bittesmå organoider, som genereres fra stamceller, er 300-500 mikrometer (μm; 1/1.000 af en millimeter) i diameter og består af 30.000-50.000 celler, hvilket gør dem omkring en 3-milliontedel af størrelsen på den menneskelige hjerne (Figur 1B) [3].
Jo mere hjerneorganoider ligner menneskehjerner, jo mere sandsynligt er det, at de er i stand til at udføre menneskelignende hjerneaktiviteter, som at lære og huske. På trods af deres lille størrelse har hjerneorganoider nogle strukturelle og funktionelle ligheder med menneskehjerner. For eksempel indeholder den menneskelige hjerne flere typer celler: (nerveceller), som er ansvarlige for at sende signaler i hjernen og mellem hjernen og kroppen; oligodendrocytter (oh⋅luh⋅go⋅den⋅druh⋅sites), som dækker dele af neuroner med et materiale kaldet myelin; og mikroglia og astrocytter, som understøtter neuronernes sundhed. Hjerneorganoidkulturer har vist sig at understøtte væksten af neuroner og disse andre celletyper, som alle er nødvendige for indlæring (figur 1A). Derudover er omkring 40% af neuronerne i hjerneorganoider dækket af myelin, mens omkring 50% af neuronerne i den sunde menneskehjerne er myeliniserede – så hjerneorganoider er ikke langt væk! Myelin fungerer som plastikken på ydersiden af en kobbertråd – det isolerer tråden, og til forskel fra isoleringen på en ledning får det også signalet til at bevæge sig 100 gange hurtigere. Med hensyn til funktion viser hjerneorganoider elektrisk aktivitet og reagerer på elektrisk stimulering på måder, der ligner celler i hjernen hos for tidligt fødte menneskebørn.
Da de hjerneorganoider, der dyrkes nu, er så små, at de knap nok er synlige (på størrelse med en stueflues øje), er det et vigtigt første skridt mod at udvikle organoid intelligens at lære, hvordan man gør dem større og mere hjerneagtige. Når hjernecellekulturer er små eller todimensionelle (flade), kan cellerne få ilt og næringsstoffer og komme af med affaldsstoffer direkte gennem den væske, de vokser i, via diffusion, som er den naturlige bevægelse af molekyler fra områder med høj koncentration til områder med lav koncentration. Men diffusion er ikke effektiv nok til at understøtte større 3D-kulturer [4]. Den menneskelige hjerne har blodkar, der udfører denne transportfunktion – halvdelen af hjernens vægt i blod strømmer gennem hjernen hvert minut. Noget lignende vil være nødvendigt for at dyrke større hjerneorganoider for at forhindre, at deres centre dør – en proces, der kaldes nekrose. Forskere udvikler mikrofluidiske systemer, der kan fungere som små blodkar (figur 2). Mikrofluidiske systemer vil ikke kun fjerne affaldsstoffer og give ilt og næringsstoffer til hjerneorganoiderne, men de vil også give forskerne mulighed for at administrere og teste virkningerne af andre kemikalier, der er involveret i den menneskelige hjernes normale funktion, eller mulige lægemidler til behandling af hjernesygdomme.
For at udvikle OI skal hjerneorganoider fungere på samme måde som menneskehjerner – og forskerne skal have en måde at måle denne aktivitet på. Læger måler den elektriske aktivitet i rigtige menneskehjerner med en teknik, der kaldes elektroencefalografi (uh⋅lek⋅trow⋅uhn⋅seh⋅fuh⋅laa⋅gruh⋅fee; EEG), hvor elektroder placeres på patientens hovedbund. Denne teknik inspirerede os til at skabe en lille version, kaldet 3D microelectrode array (MEA), der både kan stimulere og måle den elektriske aktivitet i hjerneorganoider. MEA’erne er som fleksible skaller, der kan foldes rundt om hjerneorganoiderne, så man kan måle den elektriske aktivitet på hele overfladen af 3D-organoiden (figur 3). Forskerne arbejder også på at udvikle særlige prober, som hjerneorganoiderne kan vokse helt rundt om, hvilket kan give klarere signaler og give forskerne adgang til indersiden af en organoid.
Når forskerne kan overvåge hjerneorganoidernes funktion, kan de begynde at undersøge, om disse organoider kan lære. I hjerneorganoider vil “læring” involvere at reagere på en bestemt måde på mønstre af elektrisk eller kemisk stimulering, for eksempel ved ændringer i forbindelserne mellem celler eller ændringer i elektrisk aktivitet. Det er de samme to faktorer, der påvirker hukommelsesdannelse og læring i den menneskelige hjerne. En af de første indlæringsopgaver kunne være et simpelt computerspil som Pong, hvor man skal flytte en pagaj for at holde den hoppende bold på banen. Faktisk har forskere fra Cortical Labs i Australien for nylig vist, at hjernekulturer kan lære at gøre dette [5].
Mens vi har fastslået, at hjerneorganoider kan føre til en revolution inden for biologisk databehandling, kan de også bruges som et kraftfuldt forskningsværktøj. Fordi hjernen er så kompleks og er godt beskyttet af kraniet, er det et vanskeligt organ at studere i levende organismer. Så hjernecellekulturer, der ligner og opfører sig som menneskehjerner, kan hjælpe forskere med at besvare vigtige spørgsmål, der er svære at studere i mennesker – spørgsmål om hjernens udvikling, indlæring, hukommelse og virkningerne af medicin eller infektioner på hjernens funktion. Hjerneorganoider kan også bruges til at studere ødelæggende hjernesygdomme som demens. Demens er en sygdom hos ældre voksne, hvor hukommelsen og andre hjernefunktioner gradvist svækkes. Demens er et voksende problem: På verdensplan lever over 55 millioner mennesker med demens, og dette tal forventes at overstige 150 millioner i 2050 [6]. Alzheimers sygdom, en form for demens, er blandt de 10 hyppigste dødsårsager i USA. Der findes i øjeblikket ingen kur mod demens, og de behandlinger, der findes, er ikke særlig effektive. Et hjerneorganoid-system kan hjælpe forskerne med at forstå, hvad der forårsager demens, og hvordan det påvirker hjernen. Ud fra denne viden kan der udvikles potentielle behandlinger, som kan testes i hjerneorganoider for at sikre, at de virker, før de anvendes på mennesker.
Selvom brugen af OI til biologisk databehandling og kritisk hjerneforskning kan lyde lovende og spændende, skaber OI også en række vigtige spørgsmål, som forskere og samfundet aldrig før har skullet tage stilling til. Vil hjerneorganoider for eksempel være “bevidste”, og er det i så fald etisk forsvarligt for forskere at skabe dem? Kan organoider opleve smerte og muligvis lide under de eksperimenter, forskerne udfører på dem? Andre vanskelige etik, der vil helt sikkert opstå spørgsmål, efterhånden som feltet for organoid intelligens udvikler sig. Professionelle etikere skal arbejde tæt sammen med forskerne for at identificere og navigere i sådanne spørgsmål. For at være socialt ansvarlig er det også vigtigt, at OI-forskningen styres af input fra offentligheden. Diskussioner med medlemmer af offentligheden, der har forskellige overbevisninger og moralske perspektiver, kan hjælpe med at vinde offentlighedens tillid, hvilket hjælper med at forhindre negative offentlige reaktioner på nye teknologier og maksimerer deres fremtidige indvirkning.
Selvom det måske stadig lyder lidt som science fiction, håber vi, at denne artikel har hjulpet dig med at forstå potentialet for hjerneorganoider til at revolutionere biologisk databehandling. Der er stadig meget forskning, der skal gøres, og mange teknologiske og etiske forhindringer, der skal overvindes. Men hvis det lykkes os, vil OI sandsynligvis kunne overvinde mange af begrænsningerne ved traditionel databehandling og kunstig intelligens. Specifikt tror vi, at OI-baserede biocomputing-systemer vil muliggøre hurtigere beslutningstagning, forbedret indlæring og større energieffektivitet. Disse fremskridt kan påvirke hele verden gennem udviklingen af teknologier, der kan forbedre AI’s ydeevne eller skabe “intelligente” proteser, der kan hjælpe amputerede med at genvinde kropsfunktioner. Desuden giver OI en fantastisk mulighed for hjerneforskning og kan hjælpe forskere med at opdage de grundlæggende principper bag tænkning, læring og hukommelse og til bedre at forstå og potentielt behandle ødelæggende hjernesygdomme som demens. Så næste gang du hører nogen tale om kunstig intelligens, så brug et øjeblik på at fortælle dem om OI … og sørg for at nævne, at det er videnskab, ikke science fiction!
Organoid intelligens: En organoids evne til at beregne og lagre information, der leveres (input) for at udføre en opgave (output).
Biologisk databehandling: En teknik, der bruger levende organismer til at udføre computerfunktioner, såsom lagring og behandling af information, for muligvis at supplere nuværende computere.
Hjerneorganoider: Bioteknologiske modeller af hjernen, der kan udføre nogle hjernefunktioner.
Neuron: En nervecelle; en grundlæggende enhed i nervesystemet, der bruger elektriske og kemiske signaler til at overføre information til andre neuroner og muskelceller.
Myelin: Et fedtholdigt, isolerende materiale, der dækker nervefibrene og gør den elektriske kommunikation mellem neuronerne mere effektiv.
Mikrofluidisk system: En teknologi, der cirkulerer væsker gennem små kanaler, for eksempel for at forsyne celler med ilt og næringsstoffer.
3D mikroelektrode-array: En enhed med mange sensorer, der kan aflæse den elektriske aktivitet i hjernecellekulturer, svarende til det elektroencefalogram (EEG), der bruges hos mennesker.
Etik: En gren af filosofien, der studerer forskellene mellem godt og dårligt eller rigtigt og forkert.
[1] Kim, J., Ricci, M., og Serre, T. 2018. Not-So-CLEVR: Learning same-different relations strains feedforward neural networks. Interface Focus 8:20180011. doi: 10.1098/rsfs.2018.0011
[2] Masanet, E., Shehabi, A., Lei, N., Smith, S. og Koomey, J. 2020. Omkalibrering af globale estimater for datacentres energiforbrug. Videnskab 367:984-6. doi: 10.1126/science.aba3758
[3] Pamies, D., Barreras, P., Block, K., Makri, G., Kumar, A., Wiersma, D., et al. 2017. Et mikrofysiologisk system til menneskehjernen afledt af iPSC til at studere toksicitet og sygdom i centralnervesystemet. ALTEX 34:362-76. doi: 10.14573/altex.1609122
[4] Zhang, S., Wan, Z., og Kamm, R. D. 2021. Vaskulariserede organoider på en chip: Strategier til udvikling af organoider med funktionel vaskulatur. Lab Chip. 21:473-88. doi: 10.1039/D0LC01186J
[5] Kagan, B. J., Kitchen, A. C., Tran, N. T., Parker, B. J., Bhat, A., Rollo, B., et al. 2021. In vitro-neuroner lærer og udviser følsomhed, når de er legemliggjort i en simuleret spilverden. bioRxiv. doi: 10.1101/2021.12.02.471005
[6] GBD 2019 Dementia Forecasting Collaborators. 2022. Estimering af den globale prævalens af demens i 2019 og forventet prævalens i 2050: en analyse til Global Burden of Disease Study 2019. Lancet folkesundhed. 7:e105-25. doi: 10.1016/S2468-2667(21)00249-8
Vores fantastiske hjerner giver os mulighed for at gøre utrolige ting, men alligevel er de stadig mystiske på mange måder. Forskere har opdaget nogle situationer, hvor hjernen kan “narres”, og denne indsigt i hjernens indre arbejde har ført til nogle spændende nye teknologier, herunder virtual reality (VR). Ud over sin velkendte rolle inden for spil og underholdning har VR nogle fantastiske anvendelsesmuligheder inden for medicin. VR kan hjælpe patienter med at håndtere smerter, og det kan også hjælpe kirurger med at øve delikate procedurer og vejlede dem under operationer. Andre fremskridt kaldet hjerne-maskine-grænseflader kan lytte til hjernens snak og oversætte tanker til kommandoer til computere eller endda robotlemmer, hvilket i høj grad kan forbedre livet for mennesker med visse handicap. I denne artikel vil vi forklare, hvordan forskere bruger resultater fra banebrydende hjerneforskning til at producere spændende nye teknologier, der kan helbrede eller endda forbedre hjernens funktioner.
…
Dette studie undersøger, hvordan opmærksomhedsunderskud/hyperaktivitetsforstyrrelse (ADHD) påvirker gravide kvinder med fokus på, hvad det betyder for deres helbred. Forskningen er rettet mod unge og teenagere og hjælper med at forklare komplekse videnskabelige ideer på en måde, der er let at forstå. Den starter med at forklare, hvad ADHD er: en almindelig tilstand, der begynder i barndommen og kan fortsætte ind i voksenalderen. Derefter ser forskningen på de specifikke problemer, som kvinder med ADHD kan have, når de er gravide, f.eks. en højere risiko for depression, angst og komplikationer under graviditeten. Ved at undersøge detaljerede sundhedsjournaler fra mange forskellige kilder og sammenligne erfaringerne fra gravide kvinder med og uden ADHD finder undersøgelsen, at kvinder med ADHD er mere tilbøjelige til at få alvorlige helbredsproblemer, når de er gravide. Den viser dog også, at de, der tager ADHD-medicin, mens de er gravide, kan opleve et fald i disse helbredsproblemer, hvilket understreger vigtigheden af sikker brug af medicin. Undersøgelsen slutter med et råd til teenagere: Tal åbent med lægen, og træf informerede sundhedsvalg under graviditeten.
…
Alle får influenza eller forkølelse fra tid til anden. Vi designede et eksperiment for at undersøge, hvordan det påvirker hjernen at være syg oftere. For at gøre det brugte vi et stykke af en bakterie til at få voksne hanmus til at opleve symptomer på sygdom. Vi gav musene dette stof fem gange i alt. Musene fik det bedre i løbet af et par dage og holdt to ugers pause mellem eksponeringerne. Derefter målte vi, hvordan musene lærte og huskede ny information, og hvor godt deres hjerneceller arbejdede for at hjælpe dem med at lære. Vores eksperimenter tyder på, at sygdom ofte forstyrrer kommunikationen mellem hjernecellerne, så musene får problemer med at lære og huske. Vores data kan hjælpe læger med at forudsige, hvilke patienter der kan få hukommelsesproblemer, når de bliver ældre. Vores undersøgelse viser også, hvor vigtigt det er at holde sig så sund som muligt og tage skridt til at beskytte os selv og andre, når vi bliver syge.
…
Vidste du, at dine celler kan fortælle, hvad klokken er? Hver eneste celle i din krop har sit helt eget ur. Disse ure er ulig alle andre. Der er ingen tandhjul eller gear. Tiden indstilles af jordens rotation, så vores kroppe er perfekt afstemt med nat og dag. Selv om du måske ikke engang er klar over deres eksistens, styrer disse ure mange aspekter af dit liv. Fra hvornår du spiser og sover til din evne til at koncentrere dig eller løbe hurtigt – urene styrer det hele. Hvordan fungerer disse ure, og hvordan fortæller de tiden? Hvad sker der med vores ure, hvis vi ser tv sent om aftenen eller flyver til den anden side af jorden? Denne artikel undersøger disse spørgsmål og forklarer de videnskabelige opdagelser, der har hjulpet os med at forstå svarene.
…Få inspiration og viden om praksis og cases, evidens og forskning, kurser, netværksmøder og vores Læringsplatform – alt sammen til at styrke din faglige udvikling.
Du kan til enhver tid trække dit samtykke tilbage ved at afmelde dig nyhedsmailen.
Du modtager om et øjeblik en e-mail med et link, hvor du bekræfter tilmeldingen.
Med venlig hilsen
MiLife