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
Forbrændinger er almindelige skader, der opstår, når varme, varme væsker, kemikalier, elektricitet eller endda solen beskadiger huden. Nogle forbrændinger er milde, som f.eks. solskoldning, mens andre kan være så alvorlige, at de beskadiger muskler, knogler eller endda organer. Mens de fleste forbrændinger er smertefulde, kan de mest alvorlige faktisk være smertefri, fordi de ødelægger nerverne. Forbrændinger svækker også hudens naturlige barriere, hvilket øger risikoen for infektion. Kroppen heler forbrændinger i tre faser, men dybere forbrændinger tager længere tid at komme sig over og kan efterlade permanente ar. Behandlingen afhænger af sværhedsgraden – nogle forbrændinger kan køles med vand, mens andre kræver akut lægehjælp. Denne artikel undersøger, hvad der forårsager forbrændinger, hvordan de klassificeres, og hvordan de heler, hvilket hjælper børn og deres omsorgspersoner med at forstå, hvordan man forebygger, håndterer og kommer sig efter disse skader.
…
Forestil dig dine knogler som fundamentet i et hus – de holder ikke kun din krop oprejst, men beskytter også dine organer og hjælper endda med at producere blodceller. Knogler består af en kombination af kollagen, som giver dem fleksibilitet, og mineraler som calcium, som giver dem styrke, og de spiller en afgørende rolle i kroppen. Vidste du, at dine tænder også er afhængige af stærke knogler? Alveolærknoglen, som støtter dine tænder, skal forblive sund for at sikre, at dit smil forbliver stabilt. Inde i knoglerne findes der specielle celler: osteoblaster opbygger ny knogle, mens osteoklaster “nedbryder” den gamle knogle. Når disse celler er ude af balance, kan der opstå knogletab omkring tænderne, som det ses ved parodontitis, en almindelig mundsygdom hos voksne. For at forebygge parodontitis er det afgørende at opretholde god mundhygiejne, en sund kost og en afbalanceret livsstil. Disse ting øger chancerne for, at dine knogler og tænder forbliver stærke og beskyttede gennem hele dit liv.
…
Bæredygtigt udviklingsmål 8: Anstændigt arbejde og økonomisk vækst har til formål at hjælpe mennesker med at få sikre og retfærdige jobs og tjene nok penge til at forsørge deres familier og lokalsamfund. Dette mål handler om at hjælpe virksomheder med at vokse på en bedre måde og behandle arbejdstagere retfærdigt. At skabe et nyt produkt, hæve eller sænke arbejdstagernes lønninger eller ændre måden, hvorpå arbejdet udføres, indebærer risikable beslutninger, som virksomhedsejere skal overveje. I øjeblikket er et stort spørgsmål, om virksomhederne skal holde fast i traditionelle metoder eller investere i smarte robotter og kunstig intelligens, som kan hjælpe dem med at arbejde hurtigere og bedre. Disse valg kan se enkle ud, men de har vigtige konsekvenser: hvor mange mennesker der får arbejde, hvilken slags arbejde de udfører, og endda hvor meget penge de tjener. I denne artikel vil vi undersøge, hvordan teknologi kan forandre den måde, mennesker arbejder på, og hvordan forskere kan bruge matematiske modeller til at få et indblik i, hvordan fremtidens arbejdspladser kan komme til at se ud.
…
Alle føler sig bange nogle gange, men når en frygt bliver så stærk, at den forhindrer os i at gøre ting, vi gerne vil eller skal, og forstyrrer vores dagligdag, kan det betragtes som en fobi. At være bange for skræmmende ting, som højder, havet eller rotter, er godt og vigtigt for overlevelsen, men for meget frygt kan være skadelig og forårsage psykisk eller fysisk lidelse. Fobier udvikles på grund af mange faktorer. En faktor er genetik, hvilket betyder, at fobier kan nedarves i familien. Fobier kan også skyldes miljømæssige påvirkninger, såsom særligt skræmmende oplevelser. Derudover kan fobier opstå på grund af noget, der kaldes frygtkonditionering, hvor hjernen lærer at forbinde noget harmløst med en følelse af fare. Fobier kan endda udvikle sig ved at se en anden være bange for noget ( ). I denne artikel diskuterer vi nogle af de måder, hvorpå en fobi kan udvikle sig, og hvordan de kan behandles.
…