Ingenieros han encontrado una forma de ajustar las diminutas neuronas artificiales para que disparen como células cerebrales reales.
Para fabricar las neuronas artificiales, los investigadores utilizan una impresora de inyección de aerosol para depositar tintas electrónicas sobre un sustrato polimérico flexible. (Crédito de la imagen: Universidad de Northwestern/Amanda B. Morris) Suscríbete a nuestro boletín
Los ingenieros han impreso diminutas neuronas artificiales que pueden “hablar” con células cerebrales de ratón, y el desarrollo podría allanar el camino a innovaciones en computación y medicina.
El trabajo, publicado el 15 de abril en la revista Nature Nanotechnology, se suma a un campo en crecimiento que tiene como objetivo construir ordenadores que imiten el funcionamiento interno del cerebro.
“Intentamos imitar el cerebro con la mayor fidelidad posible”, afirma el coautor del estudio Mark Hersam, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Northwestern. “Lo que nos motiva es idear una alternativa a la computación digital convencional para manejar grandes cantidades de datos de forma más eficiente energéticamente”, declaró a Live Science.
El trabajo también podría dar lugar a nuevas interfaces cerebro-ordenador, que permiten controlar dispositivos electrónicos con la actividad cerebral. Las interfaces cerebro-ordenador pueden utilizarse para controlar prótesis de miembros o dispositivos de comunicación asistida, por ejemplo.
Dado que los ordenadores neuromórficos están diseñados para emular el cerebro, deberían ser muy adecuados para interactuar con el tejido cerebral. Además, algunos científicos han sugerido que las neuronas artificiales podrían reemplazar a las células nerviosas dañadas o restaurar la función cerebral perdida en enfermedades degenerativas como el Alzheimer.
Embotellar el cerebro en un chip
Para recapitular el tejido cerebral, no se pueden utilizar chips de silicio tradicionales, que son rígidos y están construidos a partir de transistores repetitivos dispuestos en estructuras bidimensionales. Tienen conexiones fijas que no pueden evolucionar.
Eso está muy lejos de la delicada infraestructura del cerebro. Las células cerebrales son físicamente flexibles, varían según su ubicación y se comunican en una matriz 3D que cambia con el tiempo. Las conexiones entre neuronas pueden fortalecerse si se utilizan de forma constante, o pueden debilitarse si se utilizan poco. Todas estas propiedades son necesarias para crear los intrincados procesadores que constantemente dan sentido al complejo mundo que nos rodea.
Debido a estas discrepancias entre el cerebro y la maquinaria, la mayoría de las interfaces cerebro-ordenador no logran integrarse perfectamente en el cerebro; en su lugar, dependen de pulsos relativamente burdos para comunicarse con las neuronas. Crear neuronas artificiales eficientes significa encontrar materiales que se sientan y actúen como neuronas, imitando los patrones de disparo neuronal y ajustando esas señales según sea necesario.
Las neuronas artificiales diseñadas antes del nuevo estudio tienden a utilizar materiales blandos y orgánicos, como geles o tejidos que pueden transmitir señales eléctricas y químicas, u óxidos metálicos duros. Cada enfoque tiene inconvenientes: mientras que los patrones de picos de los materiales blandos tienden a ser demasiado lentos, los de los materiales duros tienden a ser demasiado rápidos, explicó Hersam.
Para replicar mejor las neuronas, Hersam y su equipo utilizaron tintas imprimibles cargadas con diminutas escamas de disulfuro de molibdeno, un compuesto inorgánico que actúa como semiconductor, y grafeno, un conductor eléctrico. Las tintas se imprimen sobre un sustrato polimérico flexible.
Podemos lograr todo tipo de respuestas de picos que imitan la biología.
Mark Hersam, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Northwestern
Históricamente, estos sustratos se han considerado un inconveniente porque los polímeros interfieren con las corrientes eléctricas. Pero como descubrieron Hersam y sus colegas, esto puede ser una ventaja para las neuronas artificiales, ya que el equipo descubrió que los polímeros pueden manipularse para controlar el flujo de electricidad a través de la célula cerebral fabricada en laboratorio.
“La innovación clave fue esta descomposición parcial del polímero”, dijo Hersam.
Al ajustar cuidadosamente cómo el polímero se calienta y se descompone, los ingenieros pueden crear diminutos filamentos de energía. En lugar de aumentar de forma constante, la corriente que atraviesa la neurona aumenta y luego retrocede, permitiendo una liberación repentina de energía similar a la descarga de una neurona. Esa acción se denomina “resistencia negativa de retroceso”.
Las sinapsis son los puntos en los que diferentes neuronas se comunican intercambiando señales químicas que aumentan o disminuyen la probabilidad de que la siguiente neurona dispare. (Crédito de la imagen: BlackJack3D/Getty Images)
Y al ajustar los parámetros del dispositivo, el equipo pudo generar patrones de señalización más complejos, incluyendo una serie de picos espaciados en el tiempo o ráfagas repentinas de picos. “Podemos lograr todo tipo de respuestas de picos que imitan la biología”, dijo Hersam.
Para demostrarlo, los científicos colocaron sus neuronas artificiales junto a cortes de cerebro de ratón en una placa de laboratorio. Descubrieron que las neuronas del ratón disparaban al mismo ritmo que las neuronas artificiales, lo que sugiere que el tejido podía decodificar la señal artificial como si hubiera sido generada por tejido real.
Neuronas artificiales del futuro
Timothée Levi, profesor de bioelectrónica que trabaja en neuronas artificiales en la Universidad de Burdeos, Francia, elogió el nuevo tipo de neurona artificial, señalando que puede “ajustarse a la frecuencia normal de las neuronas”, dijo.
Levi, que no participó en la investigación, dijo que el trabajo se suma a una serie de estudios recientes que demuestran que las neuronas artificiales pueden comunicarse con neuronas biológicas. Estos avances se han producido junto con una serie de mejoras en la forma en que se construyen las neuronas artificiales, cómo se conectan entre sí y cómo se programan, dijo Levi.
Sin embargo, enfatizó que las neuronas artificiales todavía están lejos de comunicarse plenamente con las neuronas biológicas de manera significativa. “Podemos controlarlas durante un corto período, pero aún no durante un largo período”, dijo, por lo que aún no son aptas para ser adiciones permanentes al cerebro humano, por ejemplo.
Todavía queda mucho trabajo por hacer para comprender cómo funciona el cerebro y poder reproducirlo fielmente en un ordenador, señalaron Levi y Hersam. Además, las neuronas artificiales no son suficientes; hay que enlazarlas en sinapsis artificiales.
“El problema fronterizo”, dijo Hersam, “es que tenemos una serie de dispositivos que imitan diferentes elementos del cerebro, pero necesitamos integrarlos en circuitos que logren la funcionalidad completa”.
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