Foto: ThisisEngineering RAEng. Unsplash.
En un paso importante para la creación de interfaces cerebro-computadora, un equipo internacional de investigadores liderado por la Universidad de Stanford ha logrado crear un innovador dispositivo que interactúa con células vivas y mantiene el estado alterado de excitación llamado efecto memoria.
Con la participación de especialistas norteamericanos, italianos y holandeses, el grupo de trabajo ya había presentado en 2017 una versión de su sistema de sinapsis artificial que lograba imitar el proceso de aprendizaje neuronal que tiene lugar en el cerebro humano.
Pero en 2019 los investigadores de la Universidad de Stanford, del Instituto Italiano de Tecnología en Nápoles, Italia y de la Universidad Tecnológica de Eindhoven en los Países Bajos lograron avanzar un poco más: pudieron crear una matriz que integraba nueve dispositivos de sinapsis artificial, demostrando que sería factible programarlos para que trabajen en conjunto e imiten el funcionamiento cerebral.
La sinapsis es un mecanismo de comunicación que se establece entre dos o más neuronas, con el propósito de transmitir impulsos nerviosos. Es una función vital del cerebro, que los investigadores buscan replicar de forma artificial para hacer realidad la creación de interfaces entre máquinas o computadoras y el cerebro humano.
Con la participación de especialistas norteamericanos, italianos y holandeses, el grupo de trabajo ya había presentado en 2017 una versión de su sistema de sinapsis artificial que lograba imitar el proceso de aprendizaje neuronal que tiene lugar en el cerebro humano.
Pero en 2019 los investigadores de la Universidad de Stanford, del Instituto Italiano de Tecnología en Nápoles, Italia y de la Universidad Tecnológica de Eindhoven en los Países Bajos lograron avanzar un poco más: pudieron crear una matriz que integraba nueve dispositivos de sinapsis artificial, demostrando que sería factible programarlos para que trabajen en conjunto e imiten el funcionamiento cerebral.
La sinapsis es un mecanismo de comunicación que se establece entre dos o más neuronas, con el propósito de transmitir impulsos nerviosos. Es una función vital del cerebro, que los investigadores buscan replicar de forma artificial para hacer realidad la creación de interfaces entre máquinas o computadoras y el cerebro humano.
Integración con células vivas
Según un artículo publicado en Nature Materials, los investigadores liderados por Alberto Salleo, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford, han logrado comprobar ahora que el dispositivo biohíbrido creado es capaz de integrarse con células vivas similares a las neuronas.
El avance podría constituir un paso trascendental hacia el desarrollo de tecnologías que utilicen la sinapsis artificial para integrar al cerebro con ordenadores y máquinas, mediante interfaces que logren una gestión eficiente a nivel energético.
Aunque los especialistas destacaron en un comunicado de prensa de la Universidad de Stanford que aún resta un duro y largo trabajo hasta poder hacer realidad la integración cerebro-máquina, también resaltaron que la capacidad del nuevo dispositivo para amoldarse al funcionamiento de las neuronas resulta muy prometedora.
Vale destacar que mientras otros mecanismos y dispositivos que trabajan integrados al cerebro humano necesitan señales eléctricas para comprender y procesar los mensajes enviados, el nuevo dispositivo puede comunicarse mediante electroquímica, como si se tratase directamente de otra neurona, prácticamente sin diferenciarse de una célula viva en este aspecto.
Según un artículo publicado en Nature Materials, los investigadores liderados por Alberto Salleo, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford, han logrado comprobar ahora que el dispositivo biohíbrido creado es capaz de integrarse con células vivas similares a las neuronas.
El avance podría constituir un paso trascendental hacia el desarrollo de tecnologías que utilicen la sinapsis artificial para integrar al cerebro con ordenadores y máquinas, mediante interfaces que logren una gestión eficiente a nivel energético.
Aunque los especialistas destacaron en un comunicado de prensa de la Universidad de Stanford que aún resta un duro y largo trabajo hasta poder hacer realidad la integración cerebro-máquina, también resaltaron que la capacidad del nuevo dispositivo para amoldarse al funcionamiento de las neuronas resulta muy prometedora.
Vale destacar que mientras otros mecanismos y dispositivos que trabajan integrados al cerebro humano necesitan señales eléctricas para comprender y procesar los mensajes enviados, el nuevo dispositivo puede comunicarse mediante electroquímica, como si se tratase directamente de otra neurona, prácticamente sin diferenciarse de una célula viva en este aspecto.
Investigadores de la Universidad de Standford prueban el nuevo dispositivo. Foto: L.A. Cicero / Universidad de Stanford.
Imitando mecanismos naturales
¿Cómo está estructurado este dispositivo biohíbrido? Posee dos electrodos de polímero blando, con una separación entre ambos repleta de una solución electrolítica. Dicho espacio de separación imita el funcionamiento de la hendidura sináptica, presente en el cerebro entre las neuronas que se comunican.
Al colocar una célula viva sobre uno de los electrodos, el dispositivo interactúa con los neurotransmisores liberados por la célula y genera iones. Los mismos se transportan a través de la separación mencionada anteriormente, hasta llegar al segundo electrodo y modular su estado conductor. De esta forma, se reproduce el mecanismo de aprendizaje neuronal que se concreta naturalmente.
De acuerdo a un artículo publicado en el sitio especializado Nanowerk, los resultados de la investigación son auspiciosos, aunque aún no se ha logrado reproducir la escala de tiempo que caracteriza a una sinapsis biológica. Sin duda, dicha cuestión será crucial en nuevas etapas de la investigación.
¿Cómo está estructurado este dispositivo biohíbrido? Posee dos electrodos de polímero blando, con una separación entre ambos repleta de una solución electrolítica. Dicho espacio de separación imita el funcionamiento de la hendidura sináptica, presente en el cerebro entre las neuronas que se comunican.
Al colocar una célula viva sobre uno de los electrodos, el dispositivo interactúa con los neurotransmisores liberados por la célula y genera iones. Los mismos se transportan a través de la separación mencionada anteriormente, hasta llegar al segundo electrodo y modular su estado conductor. De esta forma, se reproduce el mecanismo de aprendizaje neuronal que se concreta naturalmente.
De acuerdo a un artículo publicado en el sitio especializado Nanowerk, los resultados de la investigación son auspiciosos, aunque aún no se ha logrado reproducir la escala de tiempo que caracteriza a una sinapsis biológica. Sin duda, dicha cuestión será crucial en nuevas etapas de la investigación.
Utilidades y aplicaciones
Las interfaces cerebro-máquina y los dispositivos biohíbridos tendrían un enorme campo de aplicación a futuro, no solamente en el terreno de la ingeniería o la informática sino también en la medicina. Por ejemplo, podrían mejorar el tratamiento de las enfermedades neurodegenerativas restaurando conexiones neuronales afectadas.
También lograrían funcionar como un puente entre las terminales nerviosas y las prótesis robóticas utilizadas en el caso de amputaciones de miembros, facilitando una recuperación más rápida y armónica de los pacientes y una mejor calidad de vida, destacan los investigadores.
Las interfaces cerebro-máquina y los dispositivos biohíbridos tendrían un enorme campo de aplicación a futuro, no solamente en el terreno de la ingeniería o la informática sino también en la medicina. Por ejemplo, podrían mejorar el tratamiento de las enfermedades neurodegenerativas restaurando conexiones neuronales afectadas.
También lograrían funcionar como un puente entre las terminales nerviosas y las prótesis robóticas utilizadas en el caso de amputaciones de miembros, facilitando una recuperación más rápida y armónica de los pacientes y una mejor calidad de vida, destacan los investigadores.
Referencia
A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity. Scott T. Keene et al. Nature Materials (2020).DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-020-0703-y
A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity. Scott T. Keene et al. Nature Materials (2020).DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-020-0703-y