Desarrolladas neuronas artificiales que se comportan igual que las reales (Nat Commun)


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Un equipo dirigido por la Universidad de Bath (Reino Unido) y que incluye investigadores de las universidades de Bristol, Zurich (Suiza) y Auckland (Nueva Zelanda), ha desarrollado neuronas artificiales en chips de silicio que se comportan igual que las reales, lo que supone un avance de enorme alcance para dispositivos médicos pensados para curar enfermedades crónicas, como la insuficiencia cardíaca, el Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas, según publican en Nature Communications.

Las neuronas artificiales no solo se comportan como las biológicas, sino que solo necesitan una milmillonésima parte de la potencia de un microprocesador, lo que las hace ideales para su uso en implantes médicos y otros dispositivos bioelectrónicos, explican los autores.

El diseño de neuronas artificiales que responden a las señales eléctricas del sistema nervioso como neuronas reales ha sido un objetivo importante en la medicina durante décadas, ya que abre la posibilidad de curar las condiciones en las que las neuronas no funcionan correctamente, se han cortado sus procesos como en la médula espinal lesión, o han muerto.

Las neuronas artificiales podrían reparar biocircuitos enfermos al replicar su función saludable y responder adecuadamente a la retroalimentación biológica para restaurar la función corporal.

Los investigadores modelaron con éxito y derivaron ecuaciones para explicar cómo las neuronas responden a los estímulos eléctricos de otros nervios. Esto es increíblemente complicado ya que las respuestas son no lineales, es decir que si una señal se vuelve dos veces más fuerte, no necesariamente provocará una reacción dos veces más grande, podría ser tres veces más grande u diferente.

Luego diseñaron chips de silicio que modelaron con precisión los canales de iones biológicos, antes de demostrar que sus neuronas de silicio imitaban con precisión las neuronas reales y vivas que respondían a una variedad de estimulaciones.

Los investigadores replicaron con precisión la dinámica completa de las neuronas del hipocampo y las neuronas respiratorias de las ratas, bajo una amplia gama de estímulos.

Alain Nogaret, director del proyecto, admite que "hasta ahora las neuronas han sido como cajas negras, pero hemos logrado abrir la caja negra y mirar dentro. Nuestro trabajo está cambiando de paradigma porque proporciona un método robusto para reproducir las propiedades eléctricas de las neuronas reales en minucioso detalle".

"Pero es más amplio que eso, porque nuestras neuronas solo necesitan 140 nanovatios de potencia. Esa es una milmillonésima parte del requerimiento de energía de un microprocesador, que otros intentos de fabricar neuronas sintéticas han utilizado -destaca-. Esto hace que las neuronas sean muy adecuadas para el tratamiento de implantes bioelectrónicos para tratar enfermedades crónicas".

"Por ejemplo -prosigue-, estamos desarrollando marcapasos inteligentes que no solo estimularán al corazón a bombear a un ritmo constante, sino que usarán estas neuronas para responder en tiempo real a las demandas que se le imponen al corazón, que es lo que ocurre naturalmente en un corazón sano".

"Nuestro enfoque combina varios avances. Podemos estimar con mucha precisión los parámetros precisos que controlan el comportamiento de cualquier neurona con alta certeza –detalla Nogaret-. Hemos creado modelos físicos del hardware y hemos demostrado su capacidad para imitar con éxito el comportamiento de las neuronas vivas reales. Nuestro tercer avance es la versatilidad de nuestro modelo que permite la inclusión de diferentes tipos y funciones de una variedad de neuronas complejas de mamíferos".