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El nuevo chip se basa en un material ultra delgado que cambia la resistencia eléctrica en respuesta a diferentes longitudes de onda de la luz. Foto: Universidad RMIT.
Investigadores del Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) han desarrollado un dispositivo que utiliza la luz para crear, almacenar, modificar y borrar recuerdos, de la misma forma que lo hace el cerebro.
Se trata de un chip electrónico que usa la biotecnología y la optogenética para replicar artificialmente la forma en la que el cerebro almacena y borra información.
La optogenética combina métodos genéticos y ópticos para controlar eventos específicos en ciertas células de tejidos vivos, alcanzando la misma precisión que los sistemas biológicos.
En esta investigación, la optogenética ha permitido a los científicos ahondar en el sistema eléctrico del cuerpo con una precisión increíble, utilizando la luz para manipular las neuronas de modo que puedan encenderse o apagarse.
El nuevo chip se basa en un material ultra delgado que cambia la resistencia eléctrica en respuesta a diferentes longitudes de onda de la luz, lo que le permite imitar la forma en la que las neuronas trabajan para almacenar y eliminar información en el cerebro.
El chip también puede realizar operaciones lógicas, como el procesamiento de información, sencillamente marcando otra casilla para que realice una segunda funcionalidad similar a la del cerebro.
Replicando al cerebro
Las conexiones neuronales ocurren en el cerebro a través de impulsos eléctricos. Cuando pequeños picos de energía alcanzan un cierto umbral de voltaje, las neuronas se unen entre sí, y comenzamos a crear una memoria.
En el chip, la luz se utiliza para generar una fotocorriente, que circula a través de dispositivos fotosensibles. El cambio entre colores hace que la corriente invierta la dirección de positiva a negativa.
Este cambio de dirección, o cambio de polaridad, es equivalente a la unión y ruptura de las conexiones neuronales, un mecanismo que permite a las neuronas conectarse (y crear una memoria o inducir el aprendizaje) o inhibirse (e inducir el olvido).
La optogenética completa la proeza tecnológica: la modificación de las neuronas inducida por la luz hace que se enciendan o apaguen, permitiendo o inhibiendo las conexiones a la siguiente neurona, para la creación, almacenamiento, modificación y borrado de recuerdos.
Fósforo negro
Para desarrollar la tecnología, los investigadores utilizaron un material llamado fósforo negro (BP), una forma termodinámicamente estable del fósforo a temperatura y presión ambiente, que puede ser inherentemente defectuoso en la naturaleza.
Este defecto natural suele ser un problema para la optoelectrónica, pero a través de la ingeniería de precisión, en este caso los investigadores pudieron aprovecharlo para crear una nueva funcionalidad.
"Los defectos generalmente se consideran como algo que se debe evitar, pero aquí los estamos utilizando para crear algo novedoso y útil", explica Taimur Ahmed, autor principal del estudio, en un comunicado.
"Es un enfoque creativo que encuentra soluciones para los desafíos técnicos que enfrentamos", concluye.
Se trata de un chip electrónico que usa la biotecnología y la optogenética para replicar artificialmente la forma en la que el cerebro almacena y borra información.
La optogenética combina métodos genéticos y ópticos para controlar eventos específicos en ciertas células de tejidos vivos, alcanzando la misma precisión que los sistemas biológicos.
En esta investigación, la optogenética ha permitido a los científicos ahondar en el sistema eléctrico del cuerpo con una precisión increíble, utilizando la luz para manipular las neuronas de modo que puedan encenderse o apagarse.
El nuevo chip se basa en un material ultra delgado que cambia la resistencia eléctrica en respuesta a diferentes longitudes de onda de la luz, lo que le permite imitar la forma en la que las neuronas trabajan para almacenar y eliminar información en el cerebro.
El chip también puede realizar operaciones lógicas, como el procesamiento de información, sencillamente marcando otra casilla para que realice una segunda funcionalidad similar a la del cerebro.
Replicando al cerebro
Las conexiones neuronales ocurren en el cerebro a través de impulsos eléctricos. Cuando pequeños picos de energía alcanzan un cierto umbral de voltaje, las neuronas se unen entre sí, y comenzamos a crear una memoria.
En el chip, la luz se utiliza para generar una fotocorriente, que circula a través de dispositivos fotosensibles. El cambio entre colores hace que la corriente invierta la dirección de positiva a negativa.
Este cambio de dirección, o cambio de polaridad, es equivalente a la unión y ruptura de las conexiones neuronales, un mecanismo que permite a las neuronas conectarse (y crear una memoria o inducir el aprendizaje) o inhibirse (e inducir el olvido).
La optogenética completa la proeza tecnológica: la modificación de las neuronas inducida por la luz hace que se enciendan o apaguen, permitiendo o inhibiendo las conexiones a la siguiente neurona, para la creación, almacenamiento, modificación y borrado de recuerdos.
Fósforo negro
Para desarrollar la tecnología, los investigadores utilizaron un material llamado fósforo negro (BP), una forma termodinámicamente estable del fósforo a temperatura y presión ambiente, que puede ser inherentemente defectuoso en la naturaleza.
Este defecto natural suele ser un problema para la optoelectrónica, pero a través de la ingeniería de precisión, en este caso los investigadores pudieron aprovecharlo para crear una nueva funcionalidad.
"Los defectos generalmente se consideran como algo que se debe evitar, pero aquí los estamos utilizando para crear algo novedoso y útil", explica Taimur Ahmed, autor principal del estudio, en un comunicado.
"Es un enfoque creativo que encuentra soluciones para los desafíos técnicos que enfrentamos", concluye.
Los protagonistas: de izquierda a derecha: Sumeet Walia y Taimur Ahmed, del Grupo de Investigación de Materiales Funcionales y Microsistemas. Foto: Universidad RMIT.
Hacia un cerebro biónico
El director del equipo de investigación, Sumeet Walia, explica por su parte que esta tecnología nos acerca a la posibilidad de que la inteligencia artificial (IA) pueda aprovechar toda la funcionalidad sofisticada del cerebro.
"Nuestro chip de inspiración optogenética imita la biología fundamental del mejor ordenador de la naturaleza: el cerebro humano", señala Walia.
"Ser capaz de almacenar, eliminar y procesar información es fundamental para la computación, y el cerebro lo hace de manera extremadamente eficiente”, añade.
Gracias a este dispositivo, ahora “podemos simular la dinámica neuronal del cerebro simplemente aplicando diferentes colores a nuestro chip. Esta tecnología nos acerca a una computación basada en luz que será más rápida, eficiente y segura.”
"También nos acerca un paso importante hacia la realización de un cerebro biónico: un cerebro en un chip que puede aprender de su entorno como lo hacen los humanos", concluye Walia.
Enormes oportunidades
Ahmed explica asimismo que el hecho de poder replicar el comportamiento neuronal en un chip artificial ofrece interesantes vías para la investigación en todos los sectores.
"Esta tecnología crea enormes oportunidades para que los investigadores comprendan mejor el cerebro y cómo se ve afectado por los trastornos que interrumpen las conexiones neuronales, como la enfermedad de Alzheimer y la demencia", señala Ahmed.
La tecnología es compatible con la electrónica actual y también se ha demostrado su funcionamiento en una plataforma flexible, para la integración en la electrónica portátil.
El director del equipo de investigación, Sumeet Walia, explica por su parte que esta tecnología nos acerca a la posibilidad de que la inteligencia artificial (IA) pueda aprovechar toda la funcionalidad sofisticada del cerebro.
"Nuestro chip de inspiración optogenética imita la biología fundamental del mejor ordenador de la naturaleza: el cerebro humano", señala Walia.
"Ser capaz de almacenar, eliminar y procesar información es fundamental para la computación, y el cerebro lo hace de manera extremadamente eficiente”, añade.
Gracias a este dispositivo, ahora “podemos simular la dinámica neuronal del cerebro simplemente aplicando diferentes colores a nuestro chip. Esta tecnología nos acerca a una computación basada en luz que será más rápida, eficiente y segura.”
"También nos acerca un paso importante hacia la realización de un cerebro biónico: un cerebro en un chip que puede aprender de su entorno como lo hacen los humanos", concluye Walia.
Enormes oportunidades
Ahmed explica asimismo que el hecho de poder replicar el comportamiento neuronal en un chip artificial ofrece interesantes vías para la investigación en todos los sectores.
"Esta tecnología crea enormes oportunidades para que los investigadores comprendan mejor el cerebro y cómo se ve afectado por los trastornos que interrumpen las conexiones neuronales, como la enfermedad de Alzheimer y la demencia", señala Ahmed.
La tecnología es compatible con la electrónica actual y también se ha demostrado su funcionamiento en una plataforma flexible, para la integración en la electrónica portátil.
Referencia
Optically Stimulated Artificial Synapse Based on Layered Black Phosphorus. Taimur Ahmed et al. Small Nano Micro. DOI:https://doi.org/10.1002/smll.201900966
Optically Stimulated Artificial Synapse Based on Layered Black Phosphorus. Taimur Ahmed et al. Small Nano Micro. DOI:https://doi.org/10.1002/smll.201900966
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