El chip translúcido fijado a la pata del ratón no se parecía en nada a una neurona. Salpicado de una serie de sensores y canales y más pequeño que un dedo humano, parecía -y se flexionaba- como una tirita. Sin embargo, cuando se le roció con dopamina, el chip hizo su magia. La pata del ratón empezó a moverse y a estirarse. Dependiendo de la dosis de dopamina, el chip controlaba la extremidad como una marioneta.

El chip es una neurona artificial, pero nada que ver con los anteriores chips construidos para imitar las señales eléctricas del cerebro. Más bien adopta y adapta el otro canal de comunicación del cerebro: las sustancias químicas.

Llamados neurotransmisores, estas sustancias químicas son el «lenguaje natural» del cerebro. dijo Dr. Benhui Hu, de la Universidad Médica de Nanjing (China). Una neurona artificial que utilice un lenguaje químico podría, en teoría, aprovechar fácilmente los circuitos neuronales para pilotar la pata de un ratón, por ejemplo, o construir una familia completamente nueva de prótesis o implantes neuronales controlados por el cerebro.

Un nuevo estudio dirigido por Hu y el Dr. Xiaodong Chen, de la Universidad Tecnológica de Nanyang (Singapur), dio un gran paso hacia la conexión perfecta de neuronas artificiales y biológicas en un circuito semivivo. Con la ayuda de dopamina El sistema no era una simple llamada unidireccional en la que un componente activaba a otro. Por el contrario, la neurona artificial formaba un bucle con múltiples homólogas biológicas, emitiendo dopamina mientras recibía retroalimentación para cambiar su propio comportamiento.

En cierto modo, el sistema actúa como una interneurona, que sirve para tomar decisiones en el cerebro y afinar los circuitos neuronales. «Una gran parte de la información inteligente -incluida la memoria y la emoción- se codifica o transmite mediante moléculas químicas como los neurotransmisores, y queríamos construir una neurona artificial que imitara la forma en que se comunica una neurona real», dicen los autores.

La otra cara de la historia

You’ve heard this classic tale of neural networks. A neuron receives an electrical zap, which travels down its tortuous branches. If the signal is sufficiently strong, it’ll activate—or depress—the next neuron, wiring up the two into a network. This neuroscience dogma, popularized as “neurons that fire together, wire together,” is the basis of many chips neuromórficos construido para invertir esta peculiaridad eléctrica para el cálculo de baja energía y alta eficiencia.

Los datos o la «memoria» de estas actividades se almacenan en sinapsis . I like to imagine these intricate structures as two river banks with a stream flowing between them. One bank is part of the neuron sending signals, the other is part of the receiving neuron.

¿Pero qué es lo que ayuda a las señales a cruzar el arroyo?

Entre los neurotransmisores. Una vez que una neurona integra sus señales eléctricas de recepción, los impulsos viajan por las ramas hasta llegar a una sinapsis. Aquí, las señales ordenan a docenas de «botes» estacionados -imagínese pequeñas burbujas de jabón-, cada uno lleno de neurotransmisores, que se lancen hacia la otra orilla. Una vez acopladas, las sustancias químicas se descargan de los botes para desencadenar otra señal eléctrica en la neurona descendente. Y el ciclo continúa para enlazar las intrincadas redes del cerebro.

A menudo se ignora la computación química a la hora de hacer implantes neuronales, pero centrarse únicamente en las señales eléctricas es como ignorar las rutas de carga transoceánicas a la hora de planificar las rutas marítimas.

«Este desajuste puede dar lugar a una interpretación incorrecta de la información neuronal transmitida», afirma el equipo, lo que podría llevar a las interfaces cerebrales a un error.

Una obra de arte

El nuevo estudio reintrodujo el razonamiento químico en las neuronas artificiales. Tras examinar toda una serie de posibles candidatos a neurotransmisores, el equipo se centró en la dopamina -un agente multitarea que impulsa la motivación, codifica la recompensa y controla el movimiento- como el estrella de la neurona artificial .

El chip contiene tres componentes principales que imitan a una neurona real: detecta la dopamina, codifica la señal resultante dentro de una «sinapsis» y libera dopamina a su vecina.

La primera parte es un sensor electroquímico que puede detectar la dopamina a niveles biológicos. La nanoestructura, hecha de nanotubos de carbono con una dosis de óxido de grafeno, es especialmente eficaz a la hora de captar pequeños trozos de dopamina en su entorno, incluso con otras sustancias químicas biológicas que enturbian las aguas.

Una vez detectados, los datos se transmiten al siguiente componente -un memristor- en forma de impulso eléctrico. Al igual que una sinapsis, un memristor tiene la capacidad de cambiar su resistencia en función de la actividad anterior, es decir, tiene «memoria». Cuanto mayor sea la resistencia, menos podrá enviar señales eléctricas.

El dispositivo puede parecer exótico, pero imagínese un sándwich de queso (muy caro). Los dos trozos de pan están hechos de nanopartículas de plata y oro, y el «queso» es una proteína de seda que ajusta la resistencia del memristor. Es un montaje muy interesante: el componente puede soportar tanto cambios a corto como a largo plazo en la «sinapsis», imitando los recuerdos que se olvidan rápidamente o los que se graban en el cerebro.

Es un signo de aprendizaje. «Esto significa que el sistema ha formado una conexión más fuerte con los estímulos repetidos y será más sensible a los estímulos familiares en comparación con los frescos», dijeron los autores.

Luego viene la parte realmente genial. En función de su resistencia, el memristor puede calentar un hidrogel para que libere dopamina en nanocanales pregrabados.

Al juntar todo, el chip actúa como una neurona biológica. Cuando se le estimula con dopamina, genera una señal eléctrica que se codifica en la «sinapsis». Si la señal es lo suficientemente fuerte, bombea dopamina a sus vecinas.

¿Qué queda por hacer? Probarlo con neuronas vivas.

Un puente biohíbrido

Como primera comprobación de cordura, el equipo colocó el chip dentro de una placa de Petri de células con capacidad de liberar dopamina, denominadas PC12.

Imitando el modo en que se activan las neuronas, introdujeron una mezcla salada que provocó la liberación de dopamina en las células. La neurona artificial, sorprendida por la repentina afluencia, aumentó su actividad y, a su vez, bombeó su propia dosis de dopamina a sus vecinas PC12. Una vez bañadas con dopamina, las células biológicas cambiaron su corriente eléctrica en respuesta (sin saber que la sustancia química procedía de una neurona artificial).

Este tipo de cháchara neuronal es similar a las interneuronas. Como su nombre indica, estas neuronas actúan como peldaños de una escalera, conectando redes neuronales y ayudando a perfeccionar la actividad de los circuitos. En este caso, la neurona artificial se comportó como una interneurona, una especie de «controlador de tráfico» que da forma a las redes neuronales y mantiene su actividad en línea.

Dando un paso más, el equipo conectó el chip a un nervio de la pata de un ratón. Dependiendo del nivel de dopamina, la pata se flexionaba como si se tratara de un estiramiento matutino, extendiéndose más a medida que la sustancia química aumentaba en el chip. En otra prueba de concepto, el equipo conectó el chip a una mano robótica. Al modificar la cantidad de dopamina en el chip, el equipo pudo controlar el robot con un «apretón de manos» inducido químicamente: un movimiento hacia abajo de la muñeca mecánica, impulsado únicamente por la dopamina.

No es la primera vez que los científicos diseñan una neurona de base química. Ya en 2020 En el año 2000, un equipo de Stanford relacionó una neurona artificial con otras biológicas aisladas, demostrando que una neurona artificial podía hibridarse con una biológica utilizando la dopamina como desencadenante.

La diferencia aquí es la capacidad de retroalimentación: la nueva configuración forma un bucle con las neuronas, capaz de recibir y liberar dopamina, al tiempo que cambia la «memoria» de la red. Por ahora, la neurona artificial actúa más bien como un «puente mensajero» capaz de transmitir información. El montaje sigue siendo demasiado voluminoso para los implantes cerebrales, aunque los autores están trabajando para reducir el tamaño de cada componente y el consumo de energía.

Para los autores, los chips neuromórficos químicos y eléctricos no son uno u otro. Al fin y al cabo, el cerebro tampoco lo es.

«Tales IMC químicos [ interfaces cerebro-máquina ] podría complementar los IMC eléctricos, permitiendo potencialmente interpretar la información neuronal de forma correcta y exhaustiva para su uso en neuroprótesis, interacciones hombre-máquina y construcción de ciborgs», afirman los autores.

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