En 2017, los investigadores de la Universidad de Stanford 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 orgánicoEn 2019, los investigadores reunieron nueve de sus sinapsis artificiales juntas en una matriz, lo que demuestra que podrían programarse simultáneamente para imitar la operación paralela del cerebro.
Ahora, en un artículo publicado el 15 de junio en Materiales de la naturaleza , probaron la primera versión biohíbrida de su sinapsis artificial y demostraron 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 investigadoresen el Istituto Italiano di Tecnologia Instituto Italiano de Tecnología - IIT en Italia y en la Universidad Tecnológica de Eindhoven Países Bajos.
"Este documento realmente resalta la fuerza única de los materiales que usamos para poder interactuar con la materia viva", dijo Alberto Salleo, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford y coautor principal del artículo. "Las célulasson felices sentados en el polímero blando. Pero la compatibilidad es más profunda: estos materiales funcionan con las mismas moléculas que las neuronas usan de forma natural ".
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.
Cómo aprenden las neuronas
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 encima de un electrodo,Los neurotransmisores que liberan esas células pueden reaccionar con ese electrodo para producir iones. Estos iones viajan a través de la zanja al segundo electrodo y modulan el estado conductivo 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 las interacciones químicas en la unión sináptica. Cada vez que las células se comunican entre sí, usan química", dijo Scott Keene, un estudiante graduado en Stanford y coautor principal de"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 dispositivosobre 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", dijo Keene. "Pero, era difícil saber si lograríamos el resultado que pronosticamos en papel"hasta que vimos que sucedía 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 ".
un primer paso
Este diseño biohíbrido se encuentra en etapas tan tempranas que el enfoque principal de la investigación actual era simplemente hacer que funcione.
"Es una demostración de que esta comunicación combina la química y la electricidad", dijo 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.están trabajando en cómo hacer que el dispositivo funcione mejor en entornos biológicos más complejos que contienen diferentes tipos de células y neurotransmisores.
Esta investigación fue financiada por la National Science Foundation, la Semiconductor Research Corporation, una Stanford Graduate Fellowship, la Knut and Alice Wallenberg Foundation for Postdoctoral Research en Stanford y el Programa de Investigación e Innovación Horizon 2020 de la Unión Europea.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Taylor Kubota. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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