Oamenii de ştiinţă de la Universitatea California - Santa Cruz, din Statele Unite, analizează modul în care creierul învaţă, se adaptează şi îşi îmbunătăţeşte performanţa, pentru a înţelege mai bine şi a aborda afecţiunile neurologice. Recent ei au demonstrat că organoizi cerebrali crescuţi în laborator pot fi antrenaţi să îşi îmbunătăţească performanţa.
Oamenii de ştiinţă au crescut mini-creiere (organoizi) în laborator, apoi le-au antrenat să rezolve o problemă de inginerie. În cadrul experimentului, cercetătorii au conectat organoidul la un sistem care îi trimitea semnale electrice şi îi înregistra răspunsul, iar în funcţie de această reacţie ajustau următoarea stimulare. Prin acest proces repetat, fragmentele de ţesut cerebral au reuşit să menţină din ce în ce mai mult timp în echilibru un pendul virtual instabil.
Studiul a fost realizat la University of California, Santa Cruz, şi publicat revista Cell Reports.
Imaginaţi-vă că ţineţi o riglă în poziţie verticală în palma mâinii. Este nevoie de exerciţiu pentru a reuşi. Trebuie să fiţi atent în permanenţă la cât de mult se înclină rigla şi să faceţi numeroase ajustări fine, mişcând uşor mâna la stânga sau la dreapta pentru a o readuce în poziţie verticală şi a o împiedica să cadă.
În inginerie, această situaţie este cunoscută drept problema „pendulului invers”, în care un sistem de control trebuie să menţină în poziţie verticală un stâlp articulat, fixat pe un cărucior mobil. Problema este folosită ca test standard în robotică, teoria controlului şi inteligenţă artificială pentru a verifica dacă un sistem poate primi informaţii despre poziţia stâlpului, le poate analiza în timp real şi poate ajusta corect mişcarea pentru a menţine echilibrul.
Situaţia are relevanţă încă din primele luni de viaţă, deoarece fiecare copil trebuie să rezolve o provocare similară pentru a învăţa să meargă.
Organoizii folosiţi în experiment nu provin din ţesut uman, ci din celule stem de şoarece, cultivate pentru a forma mici agregate de ţesut cortical capabile să transmită semnale electrice. Aceste structuri nu au complexitatea necesară pentru gândire sau conştiinţă, dar pot trimite şi primi semnale şi îşi pot modifica conexiunile interne ca răspuns la stimulare externă.
În experiment, diferite tipare de stimulare electrică au semnalat direcţia şi amplitudinea înclinării stâlpului virtual. Răspunsurile electrice ale organoidului au fost interpretate ca forţe aplicate la stânga sau la dreapta pentru a corecta dezechilibrul.
Scopul nu a fost ca organoidul să „înţeleagă” sarcina, ci să se verifice dacă reţeaua sa de neuroni poate fi modificată prin feedback electric astfel încât să trimită semnale mai potrivite pentru a corecta poziţia căruciorului şi a menţine stâlpul în echilibru.
Fiecare încercare de a menţine stâlpul vertical, numită episod, se oprea în momentul în care acesta se înclina peste un unghi stabilit dinainte şi se considera că a căzut.
Cercetătorii au analizat câte cinci încercări la rând şi au calculat cât timp, în medie, a reuşit organoidul să ţină stâlpul în echilibru în cele cinci încercări, pentru a vedea dacă timpul petrecut în echilibru devine mai mare sau mai mic faţă de încercările anterioare.
Organoizii au fost testaţi în trei situaţii: fără niciun semnal suplimentar, cu stimulare electrică aplicată aleator unor neuroni şi cu stimulare adaptată în funcţie de performanţa obţinută anterior.
În varianta în care stimularea era modificată în funcţie de rezultate, după fiecare episod cercetătorii verificau dacă organoidul s-a descurcat mai bine sau mai slab decât înainte. Ei comparau timpul mediu în care a menţinut stâlpul în echilibru în ultimele cinci încercări cu media obţinută în cele 20 de încercări anterioare. Dacă în ultimele cinci încercări performanţa era mai slabă, la finalul episodului sistemul trimitea un scurt impuls electric de frecvenţă înaltă către anumiţi neuroni. Un algoritm decidea care neuroni să fie stimulaţi, pe baza experienţei anterioare: dacă stimularea unui anumit grup fusese urmată de o îmbunătăţire a performanţei, acel grup avea mai multe şanse să fie ales din nou.
Pentru a diferenţia progresul real de un rezultat obţinut din întâmplare, cercetătorii au stabilit un prag de performanţă pornind de la cât de bine s-ar descurca un sistem care ar lua decizii complet la întâmplare. Dacă cele mai bune rezultate obţinute de organoid într-o sesiune depăşeau ceea ce ar putea fi explicat prin hazard, sesiunea era considerată performantă.
Atunci când nu au primit niciun semnal suplimentar, organoizii au atins nivelul de performanţă considerat bun în doar 2,3% dintre sesiuni. Când stimularea electrică a fost aplicată la întâmplare, acest lucru s-a întâmplat în 4,4% dintre sesiuni. În schimb, atunci când stimularea a fost aleasă în funcţie de rezultatele anterioare, organoizii au depăşit pragul stabilit în 46% dintre seriile de încercări analizate.
Aceste diferenţe arată că activitatea reţelei de neuroni poate fi ajustată astfel încât organoidul să trimită comenzi mai potrivite pentru a menţine stâlpul în echilibru.
Efectul observat a fost însă de scurtă durată. Organoizii par să „uite” mare parte din ceea ce învaţă după perioade mai lungi de inactivitate.
După ce au menţinut stâlpul în echilibru timp de 15 minute, în numeroase episoade consecutive, organoizii au fost lăsaţi în repaus timp de 45 de minute. Cercetătorii au constatat că, după această pauză, performanţa a revenit la nivelul iniţial, ceea ce indică faptul că efectul antrenamentului nu a fost păstrat.
Cercetătorii consideră că experimentele viitoare ar putea testa dacă mini-creiere mai complexe pot păstra mai mult timp efectele antrenamentului. Este posibil ca structuri mai sofisticate, eventual cultivate astfel încât să includă mai multe regiuni cerebrale implicate în învăţarea la animale, să fie necesare pentru a îmbunătăţi performanţa pe termen lung observată la animale, potrivit cercetătorilor.
Autorii explică faptul că scopul cercetării a fost să înţeleagă cum pot fi modificate conexiunile dintre neuroni astfel încât ţesutul cerebral să îşi îmbunătăţească performanţa într-o sarcină, şi să ofere un model pentru a studia cum bolile neurologice afectează capacitatea de învăţare.
Cercetătorii doresc să investigheze în continuare de ce funcţionează metoda lor de antrenament, ce neuroni ar trebui stimulaţi, ce tipuri de semnale sunt mai eficiente şi cum ar putea apărea învăţarea pe termen lung.
Pentru a sprijini aceste studii, ei au dezvoltat un instrument software open-source numit BrainDance. Programul este conceput astfel încât cercetătorii care cultivă organoizi cerebrali să poată desfăşura experimente de învăţare prin simulare neuronală şi să analizeze rezultatele fără a fi nevoiţi să dezvolte ei înşişi un joc, o interfaţă hardware sau un mediu de antrenament. Scopul este de a permite unui număr mai mare de cercetători să participe la studiul organoizilor şi de a accelera dezvoltarea domeniului.
Potrivit ehipei, acest software simplifică realizarea unor experimente complexe, care în mod obişnuit necesită ani pentru a fi puse la punct în laborator. În prezent, un biolog poate descărca programul şi poate iniţia astfel de experimente în câteva minute.
Platforma dezvoltată ar putea contribui la formarea unei comunităţi mai largi interesate de utilizarea organoizilor în studii de învăţare adaptativă.
Obiectivul echipei este avansarea cercetării creierului şi a tratamentului bolilor neurologice. Cercetătorii notează că nu îşi propun să înlocuiască computerele sau sistemele de comandă folosite în robotică cu ţesut cerebral crescut în laborator. Utilizarea unor astfel de structuri, mai ales dacă ar fi vorba despre organoizi proveniţi din celule umane, ar genera dileme etice serioase legate de statutul şi utilizarea ţesutului cerebral.
