por Shelly Fan
El chip translúcido adherido a la pata del ratón no se parecía en nada a una neurona. Salpicado con una serie de sensores y canales y más pequeño que un dedo humano, parecía, y se flexionaba, como una tirita. Sin embargo, cuando se roció con dopamina, el chip hizo su magia. La pata del ratón comenzó a temblar y estirarse. Dependiendo de la dosis de dopamina, el chip controlaba la extremidad como una marioneta.
El chip es una neurona artificial, pero nada parecido a los chips anteriores 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, estos químicos son el “lenguaje natural” del cerebro, dijo el Dr. Benhui Hu de la Universidad Médica de Nanjing en China. Una neurona artificial que utilice un lenguaje químico podría, en teoría, acceder fácilmente a 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 en la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur, dio un gran paso hacia la conexión perfecta de neuronas artificiales y biológicas en un circuito semi-vivo. Impulsado por la dopamina , la configuración no fue una simple llamada unidireccional en la que un componente activó a otro. Más bien, la neurona artificial formó un circuito con múltiples contrapartes biológicas, emitiendo dopamina mientras recibía retroalimentación para cambiar su propio comportamiento.
En cierto modo, el sistema actúa como una interneurona, que sirve como tomador de decisiones en el cerebro para ajustar los circuitos neuronales. “Una gran parte de la información inteligente, incluida la memoria y la emoción, está codificada o transmitida por moléculas químicas como los neurotransmisores, y queríamos construir una neurona artificial que imitara cómo se comunica una neurona real”, dijeron los autores.
El otro lado de la historia
Has escuchado esta historia clásica de redes neuronales. Una neurona recibe un zap eléctrico, que viaja por sus tortuosas ramas. Si la señal es lo suficientemente fuerte, activará, o deprimirá, la siguiente neurona, conectando las dos en una red. Este dogma de la neurociencia, popularizado como “neuronas que se disparan juntas, se conectan juntas”, es la base de muchos chips neuromórficos construidos para aplicar ingeniería inversa a esta peculiaridad eléctrica para computación de baja energía y alta eficiencia.
Los datos o la “memoria” de estas actividades se almacenan en las sinapsis . Me gusta imaginar estas estructuras intrincadas como dos orillas de un río con un arroyo que fluye entre ellas. Un banco es parte de la neurona que envía señales, el otro es parte de la neurona receptora.
Pero, ¿qué ayuda a las señales a cruzar la corriente?
Introduzca los neurotransmisores. Una vez que una neurona integra sus señales eléctricas receptoras, los pulsos viajan por las ramas hasta llegar a una sinapsis. Aquí, las señales instruyen a docenas de “barcos” estacionados (imagínese pequeñas pompas de jabón), cada uno lleno de neurotransmisores, para lanzarse hacia la otra orilla. Una vez acoplados, los productos químicos se descargan de los barcos para activar otra señal eléctrica en la neurona corriente abajo. Y el ciclo continúa conectando las intrincadas redes del cerebro.
La computación química a menudo se ignora al hacer implantes neuronales, pero centrarse únicamente en las señales eléctricas es como ignorar las rutas de carga transoceánicas al planificar las rutas de envío.
“Este desajuste puede conducir potencialmente a una interpretación incorrecta de la información neuronal transmitida”, dijo el equipo, lo que podría desviar las interfaces cerebrales.
Un trabajo de arte
El nuevo estudio reintrodujo el razonamiento químico en las neuronas artificiales. Examinando una gran cantidad de posibles candidatos a neurotransmisores, el equipo se centró en la dopamina, una multitarea que impulsa la motivación, codifica la recompensa y controla el movimiento, como la estrella de la neurona artificial .
El chip contiene tres componentes principales que imitan una neurona real: detecta la dopamina, codifica la señal resultante dentro de una “sinapsis” y libera dopamina a su vecino.
La primera parte es un sensor electroquímico que puede detectar dopamina a niveles biológicos. Hecha de nanotubos de carbono con una dosis de óxido de grafeno rociada, la nanoestructura es especialmente eficiente para recoger pequeños fragmentos de dopamina en su entorno, incluso con otros químicos biológicos que enturbian las aguas.
Una vez detectados, los datos se transmiten al siguiente componente, un memristor, como un pulso eléctrico. Al igual que una sinapsis, un memristor tiene la capacidad incorporada de cambiar su resistencia según la actividad anterior, es decir, tiene una “memoria”. Cuanto mayor sea la resistencia, menos puede enviar señales eléctricas hacia adelante.
El dispositivo puede sonar exótico, pero imagina un sándwich de queso (muy caro). Las dos piezas de pan están hechas de nanopartículas de plata y oro, y el “queso” es una proteína de seda que afina la resistencia del memristor. Es una configuración ordenada: el componente puede admitir cambios a corto y largo plazo en la “sinapsis”, imitando los recuerdos que se te escapan rápidamente de la mente o los que están grabados en el cerebro.
Es una señal 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 nuevos”, dijeron los autores.
Luego viene la parte realmente genial. Dependiendo de su resistencia, el memristor puede calentar un hidrogel para que libere dopamina en nanocanales pregrabados.
Poniendo todo junto, el chip actúa como una neurona biológica. Cuando se estimula con dopamina, genera una señal eléctrica que se codifica en la “sinapsis”. Si la señal es lo suficientemente fuerte, bombeará dopamina a sus vecinos.
¿Qué queda por hacer? Pruébalo con neuronas vivas.
Un puente biohíbrido
Como primera verificación de cordura, el equipo colocó el chip dentro de una placa de Petri de células con la capacidad de liberar dopamina, denominada PC12.
Imitando cómo se activan las neuronas, bombearon una mezcla salada que provocó que las células liberaran dopamina. Sobresaltada “despierta” por la repentina afluencia, la neurona artificial se disparó con actividad, bombeando a su vez su propia dosis de dopamina a sus vecinos PC12. Una vez bañadas con dopamina, las células biológicas cambiaron su corriente eléctrica en respuesta (sin saber que el químico provenía de una neurona artificial).
Este tipo de charla neuronal es similar a las interneuronas. Como sugiere su nombre, estas neuronas actúan como peldaños en una escalera, conectando redes neuronales y ayudando a refinar la actividad de los circuitos. Aquí, 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.
Yendo un paso más allá, el equipo luego ató el chip a un nervio en la pata de un ratón. Dependiendo del nivel de dopamina, la pierna se flexionaba como si se tratara de un estiramiento matutino, y se ensanchaba a medida que aumentaba la sustancia química en el chip. En otra prueba de concepto, el equipo conectó el chip a una mano robótica. Al ajustar la cantidad de dopamina en el chip, el equipo pudo controlar el robot en un “apretón de manos” inducido químicamente: un parpadeo 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. En 2020 , un equipo de Stanford vinculó una neurona artificial con otras biológicas aisladas, demostrando que una neurona artificial podría hibridarse con una biológica usando la dopamina como desencadenante.
La diferencia aquí es la capacidad de retroalimentación: la nueva configuración forma un bucle con neuronas, capaces de recibir y liberar dopamina, mientras cambia la “memoria” de la red. Por ahora, la neurona artificial actúa más como un “puente mensajero” capaz de transmitir información. La configuración sigue siendo demasiado voluminosa para los implantes cerebrales, aunque los autores están trabajando para encoger cada componente y reducir el consumo de energía.
Para los autores, los chips neuromórficos químicos y eléctricos no son lo uno o lo otro. Después de todo, el cerebro tampoco lo es.
“Tales BMI químicos [ interfaces cerebro-máquina ] podrían complementar los BMI eléctricos, lo que podría permitir que la información neuronal se interprete de manera correcta y completa para su uso en neuroprótesis, interacciones hombre-máquina y construcción de cyborgs”, dijeron los autores.
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