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Impressionante! Guarda le cellule cerebrali in un piatto di laboratorio imparare a giocare a Pong in tempo reale

(Cellule cerebrali-Immagine: un’immagine al microscopio di cellule neurali in cui i marcatori fluorescenti mostrano diversi tipi di cellule. Il verde indica i neuroni e gli assoni, il viola indica i neuroni, il rosso indica i dendriti e il blu tutte le cellule. Laddove sono presenti più marcatori, i colori vengono uniti e in genere appaiono come gialli o rosa a seconda della proporzione di marcatori. Credito Cortical Labs).

Un team di Melbourne ha dimostrato per la prima volta che 800.000 cellule cerebrali che vivono in una parabola possono svolgere compiti diretti a obiettivi, in questo caso il semplice gioco per computer simile al tennis, Pong.

I risultati dello studio sono stati pubblicati oggi sulla rivista Neuron.

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Ora scopriranno cosa succede quando il loro DishBrain è influenzato da medicinali e alcol.

“Abbiamo dimostrato che possiamo interagire con i neuroni biologici viventi in modo tale da costringerli a modificare la loro attività, avvicinandoci a qualcosa che assomiglia all’intelligenza”, afferma l’autore principale Dr. Brett Kagan, che è Chief Scientific Officer della start-up biotecnologica Cortical Labs, dedicata alla costruzione di una nuova generazione di chip biologici per computer. I suoi coautori sono affiliati alla Monash University, alla RMIT University, all’University College London e al Canadian Institute for Advanced Research.

“DishBrain offre un approccio più semplice per testare come funziona il cervello e ottenere informazioni su condizioni debilitanti come l’epilessia e la demenza”, afferma il Dottor Hon Weng Chong, amministratore delegato di Cortical Labs.

Questo video mostra il gioco Pong controllato da uno strato di neuroni cresciuti in un piatto. Credito: Kagan et. al / Neurone

Sebbene da tempo gli scienziati siano in grado di montare neuroni su array multi-elettrodo e leggere la loro attività, questa è la prima volta che le cellule vengono stimolate in modo strutturato e significativo.

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“In passato, i modelli del cervello sono stati sviluppati in base a come gli scienziati informatici pensano che il cervello potrebbe funzionare”, afferma Kagan. “Di solito questa scelta si basa sulla nostra attuale comprensione della tecnologia dell’informazione, come l’informatica al silicio. Ma in verità non capiamo davvero come funziona il cervello”.

Questa è una rappresentazione visiva dell’ambiente Pong simulato in cui l’attività dei neuroni si riflette nelle piastrelle che crescono in altezza. Credito: Kagan et. al / Neurone

Costruendo in questo modo un modello di cervello vivente a partire da strutture di base, gli scienziati saranno in grado di sperimentare utilizzando la funzione cerebrale reale piuttosto che modelli analoghi difettosi come un computer.

Kagan e il suo team, ad esempio, sperimenteranno successivamente per vedere quale effetto ha l’alcol quando viene introdotto in DishBrain.

“Stiamo cercando di creare una curva di risposta alla dose con l’etanolo, in pratica far ‘ubriacare’ i neuroni e vedere se giocano in modo più scadente, proprio come quando le persone bevono”, afferma Kagan.

Ciò potenzialmente apre la porta a modi completamente nuovi di comprendere ciò che sta accadendo al cervello.

Questa nuova capacità di insegnare alle colture cellulari a svolgere un compito in cui esibiscono la sensibilità, controllando la paletta per restituire la palla tramite il rilevamento, apre nuove possibilità di scoperta che avranno conseguenze di vasta portata per la tecnologia, la salute e la società“, afferma la Dott.ssa Adeel Razi, Direttrice del Computational & Systems Neuroscience Laboratory della Monash University.

“Sappiamo che i nostri cervelli hanno il vantaggio evolutivo di essere sintonizzati da centinaia di milioni di anni per la sopravvivenza. Ora, sembra che abbiamo a portata di mano la possibilità di sfruttare questa intelligenza biologica incredibilmente potente ed economica”.

I risultati sollevano anche la possibilità di creare un’alternativa alla sperimentazione animale quando si studia come rispondono nuovi farmaci o terapie geniche in questi ambienti dinamici.

“Abbiamo anche dimostrato che possiamo modificare la stimolazione in base a come le cellule cambiano il loro comportamento e lo fanno a circuito chiuso in tempo reale”, afferma Kagan.

Per eseguire l’esperimento, il team di ricerca ha prelevato cellule di topo da cervelli embrionali e alcune cellule cerebrali umane derivate da cellule staminali e le ha coltivate su array di microelettrodi che potevano sia stimolarli che leggerne l’attività. Gli elettrodi a sinistra o a destra di un array sono stati attivati ​​per dire a Dishbrain da che parte si trovava la palla, mentre la distanza dalla paletta era indicata dalla frequenza dei segnali. Il feedback degli elettrodi ha insegnato a DishBrain come restituire la palla, facendo agire le cellule come se fossero esse stesse la paletta.

“Non siamo mai stati in grado di vedere come agiscono le cellule in un ambiente virtuale”, afferma Kagan. “Siamo riusciti a costruire un ambiente a circuito chiuso in grado di leggere ciò che sta accadendo nelle cellule, stimolarle con informazioni significative e quindi modificare le cellule in modo interattivo in modo che possano effettivamente alterarsi a vicenda”.

“L’aspetto bello e pionieristico di questo lavoro risiede nel fornire ai neuroni le sensazioni, il feedback, e soprattutto la capacità di agire sul loro mondo”, afferma il coautore, il Professor Karl Friston, neuroscienziato teorico dell’UCL, Londra.

“Sorprendentemente, le colture hanno imparato a rendere il loro mondo più prevedibile agendo su di esso. Questo è straordinario perché non puoi insegnare questo tipo di auto-organizzazione; semplicemente perché, a differenza di un animale domestico, questi mini cervelli non hanno alcun senso di ricompensa e punizione”, dice il ricercatore.

Le cellule cerebrali umane in un piatto imparano a giocare a Pong
Immagine al microscopio elettronico a scansione di una coltura neurale che è cresciuta per più di sei mesi su un array multi-elettrodo ad alta densità. Alcune cellule neurali crescono intorno alla periferia e hanno sviluppato reti complicate che coprono gli elettrodi al centro. Credito: credito Cortical Labs

“Il potenziale traslazionale di questo lavoro è davvero entusiasmante: significa che non dobbiamo preoccuparci di creare ‘gemelli digitali’ per testare gli interventi terapeutici. Ora abbiamo, in linea di principio, la ‘sandbox’ biomimetica definitiva in cui testare gli effetti di farmaci e varianti genetiche: una sandbox costituita esattamente dagli stessi elementi informatici (neuronali) che si trovano nel tuo cervello e nel mio”.

Vedi anche:Cellule cerebrali stanche possono distorcere il tuo senso del tempo

La ricerca sostiene anche il “principio dell’energia libera” sviluppato dal Professor Friston.

“Abbiamo affrontato una sfida mentre stavamo cercando di istruire le cellule a seguire un determinato percorso. Non abbiamo accesso diretto ai sistemi della dopamina o qualsiasi altra cosa che potremmo usare per fornire incentivi specifici in tempo reale, quindi abbiamo dovuto andare un livello più profondo di quello con cui lavora il Professor Friston: entropia dell’informazione: un livello fondamentale di informazioni su come il sistema potrebbe auto-organizzarsi per interagire con il suo ambiente a livello fisico.

“Il principio dell’energia libera propone che le cellule a questo livello cerchino di ridurre al minimo l’imprevedibilità nel loro ambiente”.

Kagan afferma che una scoperta interessante è stata che DishBrain non si comportava come i sistemi a base di silicio. “Quando abbiamo presentato informazioni strutturate ai neuroni disincarnati, abbiamo visto che hanno cambiato la loro attività in un modo molto coerente con il loro comportamento reale come un sistema dinamico”, dice il ricercatore.

“Ad esempio, la capacità dei neuroni di cambiare e adattare la propria attività a seguito dell’esperienza aumenta nel tempo, coerentemente con ciò che vediamo con il tasso di apprendimento delle cellule.

Chong dice di essere felice della scoperta, ma è solo l’inizio.

“Questo è un territorio nuovo di zecca. E vogliamo che più persone salgano a bordo e collaborino, per utilizzare il sistema che abbiamo costruito per esplorare ulteriormente questa nuova area della scienza”, afferma. “Come ha detto uno dei nostri collaboratori, non capita tutti i giorni di svegliarsi e di creare un nuovo campo della scienza!!”.

Fonte:Neuron

 

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