Конкурс «Био/Мол/Текст»-2025/2026

Эта работа опубликована в номинации «Школьная» конкурса «Био/Мол/Текст»-2025/2026.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

Партнер номинации — Благотворительный фонд «Белая лилия», который поддерживает школьников, студентов профильных вузов, научных коллективов врачей и ученых по разработке и созданию прорывных технологий в области медицины.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Главное примечание: в моей статье «умными органоидами» называется мозговой органоид, обученный отвечать определенным образом на микротоки.

Мы все привыкли, что органоиды — это «маленькие отделы» клетки, где происходят химические реакции. Но на самом деле слово «органоид» имеет несколько значений, и одно из них — это миниатюрная и упрощенная версия органа, производимая in vitro в трех измерениях, которая имитирует ключевую функциональную, структурную и биологическую сложность этого органа.

А если органоиды могут быть «умными» — не в человеческом смысле, а как адаптивные биологические системы? Так мы выходим на Органоидный интеллект — область, где биологические системы перестают быть моделями для изучения, а используются для обучения и взаимодействия с вычислительными технологиями.

Органоидный интеллект/Organoid intelligence (OI) — это развивающаяся область исследований в области информатики и биологии, которая разрабатывает и изучает биологические вычисления с использованием 3D-культур человеческих мозговых клеток или мозговых органоидов и технологий интерфейса мозг-машина. «Умные органоиды» — инструмент в руках Органоидного интеллекта, это обученные мозговые органоиды [1].

Мозговой органоид — искусственно выращенная ткань из плюрипотентных стволовых клеток, которая воспроизводит базовую структуру и клеточный состав человеческого эмбрионального мозга. Он обладает более упрощенной архитектурой, чем настоящий мозг, но при этом организованной. Архитектура включает в себя различные типы нейронных клеток, синапсы и глиальные клетки. Мозговой органоид не мыслит, как человек, но способен реагировать на стимулы, формировать нейронные сети и создавать паттерны активности, которые можно измерять и использовать [1].

Именно эти возможности позволяют организовать диалог между биологией и компьютером.

Давайте разберемся, как же создаются маленькие «киборги».

Небольшое примечание: «киборги» — метафора, так как при создании «умных органоидов» используются MEAs (чуть ниже вы узнаете, что это устройства со множеством встроенных микроэлектродов), «механическая составляющая» без которой существование Органоидного интеллекта невозможно.

Создание «Аппаратного обеспечения» — Мозговых органоидов

Для того, чтобы создать «умные органоиды», для начала необходимо создать основу — мозговые органоиды. Начинается все с человеческих плюрипотентных стволовых клеток. Это могут быть как эмбриональные стволовые клетки, так и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (соматические клетки человека, которые «сбросили до заводских настроек»). Дальше происходит сборка стволовых клеток в шарики, которые называются Эмбриональные тельца. После этого их культивируют для образования нейроэктодермы и выращивают в питательной среде. Для роста и развития органоида необходим биореактор с питательной средой, в котором он будет приобретать 3-D форму. Спустя несколько месяцев — вуаля: мозговой органоид готов [1–3].

Важный момент: при выращивании мозговых органоидов используются Микрофлюидные системы, которые выполняют функции кровеносной системы. Это необходимо для увеличения срока жизни, а также для нужного формирования структуры мозгового органоида [1].

Создание «Интерфейса». Диалог между биологией и информационными технологиями

Для того, чтобы использовать мозговой органоид, необходимо считывать информацию (регистрируя электрическую активность нейронов) и передавать ее (стимулируя нейроны, предоставлять им сенсорный ввод) Для этого используются многоканальные интерфейсы «мозг—компьютер»: Microelectrode arrays/Микроэлектродные массивы (MEAs).

MEAs — это устройства со множеством встроенных микроэлектродов, которые помещают на органоид. MEAs позволяют в режиме реального времени записывать электрические сигналы (потенциалы действия) тысяч нейронов одновременно и стимулировать их электрическими импульсами [3].

Создание «Программного обеспечения» — обучение

На этом этапе органоид становится «умным» — то есть способным изменять свою активность в ответ на опыт. Главное — понимать, что органоид не учится сам по себе; на самом деле, его подвергают целенаправленной стимуляции через MEAs. Обучение происходит через биологическую обратную связь Biofeedback, то есть в органоиде наблюдается адаптивная перестройка нейронной активности в ответ на повторяющиеся стимулы. Органоид будет получать стимулы, а его электрические ответы — анализироваться системами машинного обучения. На основе этого анализа будут определяться последующие стимулы, «награждающие» желаемые реакции сети. Например, органоиду подается стимул «А», его реакция записывается. Если реакция совпадает с нужной (например, определенный паттерн активности), система посылает «вознаграждение» — более интенсивную стимуляцию. Со временем нейронные сети органоида перестраиваются так, чтобы всё лучше реагировать на входящие сигналы. Именно эту адаптацию и называют обучением в контексте «умных органоидов».

После стольких проделанных операций мы получаем много маленьких «киборгов», которые готовы служить этому миру [1].

Ограничения и проблемы

При выращивании умных органоидов ученые сталкиваются с некоторыми проблемами, начиная с банального — ограничение в ресурсах, заканчивая более глубоким — этическими проблемами.

Во-первых, только на одно созревание мозговых органоидов уходит от 2–3 месяцев до года и более, а на весь процесс создания — около двух лет.

Во-вторых, из-за сложного и долгого процесса создания, разные партии умных органоидов будут отличатся (по качественному составу и структуре).

Этические проблемы связаны с тем, что необходимо осуществлять сбор человеческих биоматериалов и проводить исследования на животных.

Также есть проблема, возникающая из-за потребности Organoid Intelligence (OI) в широком спектре наук, начиная с биологии и всеми ее разделами, заканчивая информатикой и физикой [4], [5].

Заключение

В этой статье мы проследили путь «умных органоидов» — от плюрипотентных стволовых клеток до сложных нейронных систем, способных адаптироваться к внешней стимуляции и взаимодействовать с компьютерами.

Пока органоидный интеллект далек от фантастических сценариев, но он уже открывает новые возможности для изучения мозга и заболеваний нервной системы. Возможно, именно эти технологии в будущем помогут лучше понять, как работает человеческая нервная система.

Литература

1. Lena Smirnova, Brian S. Caffo, David H. Gracias, Qi Huang, Itzy E. Morales Pantoja, et. al.. (2023). Organoid intelligence (OI): the new frontier in biocomputing and intelligence-in-a-dish. Front. Sci.. 1;
2. Lena Smirnova, Thomas Hartung. (2024). The Promise and Potential of Brain Organoids. Adv Healthcare Materials. 13;
3. Chadwick M. Hales, John D. Rolston, Steve M. Potter. (2010). How to Culture, Record and Stimulate Neuronal Networks on Micro-electrode Arrays (MEAs). JoVE;
4. Thomas Hartung, Itzy E. Morales Pantoja, Lena Smirnova. (2024). Brain organoids and organoid intelligence from ethical, legal, and social points of view. Front. Artif. Intell.. 6;
5. Julian Nowogrodzki. (2018). How cerebral organoids are guiding brain-cancer research and therapies. Nature. 561, S48-S49.