MADRID, 16 Jun. (EUROPA PRESS) -
Los investigadores han creado un dispositivo que puede integrarse e interactuar con células similares a las neuronas, en lo que podría ser un primer paso hacia una sinapsis artificial para su uso en interfaces cerebro-computadora, con aplicaciones médicas o tecnológicas, según publican en la revista en la revista 'Nature Materials'.
En 2017, los investigadores de la Universidad de Stanford, en Estados Unidos, presentaron un nuevo dispositivo que imita el proceso de aprendizaje neuronal eficiente y de baja energía del cerebro. Era una versión artificial de una sinapsis, la brecha a través de la cual viajan los neurotransmisores para comunicarse entre las neuronas, hecha de materiales orgánicos. En 2019, los investigadores reunieron nueve de sus sinapsis artificiales en una matriz, lo que demuestra que podrían programarse simultáneamente para imitar la operación paralela del cerebro.
Ahora, en su artículo explican que han probado la primera versión biohíbrida de su sinapsis artificial y han demostrado que puede comunicarse con las células vivas. Las tecnologías futuras derivadas de este dispositivo podrían funcionar respondiendo directamente a las señales químicas del cerebro.
La investigación se realizó en colaboración con investigadores del Istituto Italiano di Tecnologia (Instituto Italiano de Tecnología - IIT), en Italia, y de la Universidad Tecnológica de Eindhoven, en Países Bajos.
"Este documento realmente resalta la fuerza única de los materiales que usamos para poder interactuar con la materia viva --destaca Alberto Salleo, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford y coautor del artículo--. Las células están felices asentadas en el polímero blando. Pero la compatibilidad es más profunda: estos materiales funcionan con las mismas moléculas que las neuronas usan naturalmente".
Mientras que otros dispositivos integrados en el cerebro requieren una señal eléctrica para detectar y procesar los mensajes del cerebro, las comunicaciones entre este dispositivo y las células vivas se producen a través de la electroquímica, como si el material fuera solo otra neurona que recibe mensajes de su vecino.
La sinapsis artificial biohíbrida consta de dos electrodos de polímero blando, separados por una zanja llena de solución electrolítica, que desempeña el papel de la hendidura sináptica que separa las neuronas comunicantes en el cerebro.
Cuando las células vivas se colocan sobre un electrodo, los neurotransmisores que liberan esas células pueden reaccionar con ese electrodo para producir iones. Esos iones viajan a través de la zanja hasta el segundo electrodo y modulan el estado conductor de este electrodo. Parte de ese cambio se conserva, simulando el proceso de aprendizaje que ocurre en la naturaleza.
"En una sinapsis biológica, esencialmente todo está controlado por interacciones químicas en la unión sináptica. Cada vez que las células se comunican entre sí, usan química --explica Scott Keene, estudiante graduado en Stanford y coautor del artículo--. Ser capaz de interactuar con la química natural del cerebro le da al dispositivo una utilidad adicional".
Este proceso imita el mismo tipo de aprendizaje que se observa en las sinapsis biológicas, que es altamente eficiente en términos de energía porque la computación y el almacenamiento de memoria ocurren en una sola acción. En los sistemas informáticos más tradicionales, los datos se procesan primero y luego se trasladan al almacenamiento.
Para probar su dispositivo, los investigadores utilizaron células neuroendocrinas de rata que liberan el neurotransmisor dopamina. Antes de realizar su experimento, no estaban seguros de cómo interactuaría la dopamina con su material, pero vieron un cambio permanente en el estado de su dispositivo en la primera reacción.
"Sabíamos que la reacción es irreversible, por lo que tiene sentido que cause un cambio permanente en el estado conductivo del dispositivo --recuerda Keene--. Pero fue difícil saber si lograríamos el resultado que pronosticamos en el papel hasta que lo vimos en el laboratorio. Fue entonces cuando nos dimos cuenta del potencial que esto tiene para emular el proceso de aprendizaje a largo plazo de una sinapsis".
Este diseño biohíbrido se encuentra en etapas tan tempranas que el objetivo principal de la investigación actual era simplemente hacerlo funcionar.
"Es una demostración de que esta comunicación combina la química y la electricidad --apunta Salleo--. Se podría decir que es un primer paso hacia una interfaz cerebro-máquina, pero es un primer paso muy pequeño".
Ahora que los investigadores han probado con éxito su diseño, están descubriendo los mejores caminos para futuras investigaciones, que podrían incluir el trabajo en computadoras inspiradas en el cerebro, interfaces cerebro-máquina, dispositivos médicos o nuevas herramientas de investigación para la neurociencia. Ya están trabajando en cómo hacer que el dispositivo funcione mejor en entornos biológicos más complejos que contienen diferentes tipos de células y neurotransmisores.
