Las neuronas artificiales en chips de silicio que se comportan igual que las reales han sido inventadas por los científicos. Un logro único en su clase con un enorme alcance para los dispositivos médicos para curar enfermedades crónicas, como la insuficiencia cardíaca, el Alzheimer y otras enfermedades de degeneración neuronal.
Agencia Latina de Noticias Medicina y Salud Pública
Las neuronas artificiales en chips de silicio que se comportan igual que las reales han sido inventadas por los científicos. Un logro único en su clase con un enorme alcance para los dispositivos médicos para curar enfermedades crónicas, como la insuficiencia cardíaca, el alzhéimer y otras enfermedades de degeneración neuronal.
Críticamente, las neuronas artificiales no sólo se comportan como las neuronas biológicas, sino que sólo 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.
El equipo de investigación, dirigido por la Universidad de Bath e integrado por investigadores de las universidades de Bristol, Zurich y Auckland, describe las neuronas artificiales en un estudio publicado en Nature Communications.
El diseño de neuronas artificiales que responden a las señales eléctricas del sistema nervioso como neuronas reales ha sido uno de los principales objetivos de la medicina durante décadas, ya que abre la posibilidad de curar afecciones en las que las neuronas no están funcionando correctamente, se han visto interrumpidas en sus procesos, como en el caso de una lesión de la médula espinal, o han muerto.
Las neuronas artificiales podrían reparar los bio-circuitos enfermos replicando su función saludable y respondiendo adecuadamente a la retroalimentación biológica para restaurar la función corporal.
En la insuficiencia cardíaca, por ejemplo, las neuronas de la base del cerebro no responden adecuadamente a la retroalimentación del sistema nervioso y, a su vez, no envían las señales correctas al corazón, que entonces no bombea tan fuerte como debería.
Sin embargo, el desarrollo de neuronas artificiales ha sido un inmenso desafío debido a los desafíos de la biología compleja y las respuestas neuronales difíciles de predecir.
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' - en otras palabras, si una señal se vuelve el doble de fuerte no necesariamente debería provocar una reacción el doble de grande - podría ser el triple de grande o algo más.
Luego diseñaron chips de silicio que modelaban con precisión los canales de iones biológicos, antes de demostrar que sus neuronas de silicio imitaban precisamente a las neuronas vivas y reales que respondían a una serie de estímulos.
Los investigadores replicaron con precisión la dinámica completa de las neuronas del hipocampo y las neuronas respiratorias de las ratas, bajo un amplio rango de estímulos.
El profesor Alain Nogaret, del Departamento de Física de la Universidad de Bath, dirigió el proyecto. Él dijo a través de un comunicado: "Hasta ahora las neuronas han sido como cajas negras, pero hemos conseguido abrir la caja negra y mirar dentro. Nuestro trabajo es un cambio de paradigma porque proporciona un método robusto para reproducir las propiedades eléctricas de las neuronas reales en detalle".
"Pero es más amplio que eso, porque nuestras neuronas sólo necesitan 140 nanoWatts de potencia. Eso es una milmillonésima parte del requerimiento de energía de un microprocesador, que otros intentos de hacer neuronas sintéticas han usado. Esto hace que las neuronas sean adecuadas para los implantes bioelectrónicos para el tratamiento de enfermedades crónicas".
agregó.
"Por ejemplo, estamos desarrollando marcapasos inteligentes -dijo Nogaret-que no sólo estimulan el corazón para que bombee a un ritmo constante, sino que utilizan estas neuronas para responder en tiempo real a las demandas del corazón, que es lo que ocurre naturalmente en un corazón sano. Otras posibles aplicaciones podrían ser en el tratamiento de enfermedades como el Alzheimer y las enfermedades degenerativas neuronales en general".
"Nuestro enfoque combina varios avances. Podemos estimar con gran precisión los parámetros precisos que controlan el comportamiento de cualquier neurona con gran certeza. Hemos creado modelos físicos del hardware y demostrado su capacidad para imitar con éxito el comportamiento de las neuronas vivas reales. Nuestro tercer gran avance es la versatilidad de nuestro modelo, que permite la inclusión de diferentes tipos y funciones de una gama de complejas neuronas de mamíferos",
concluyó.
El profesor Giacomo Indiveri, coautor del estudio, de la Universidad de Zurich y de la ETF Zurich, añadió: "Este trabajo abre nuevos horizontes para el diseño de chips neuromórficos gracias a su enfoque único para identificar los parámetros cruciales de los circuitos analógicos".
Otro coautor, el profesor Julian Paton, fisiólogo de la Universidad de Auckland y la Universidad de Bristol, dijo: "Replicar la respuesta de las neuronas respiratorias en la bioelectrónica que puede ser miniaturizada e implantada es muy emocionante y abre enormes oportunidades para los dispositivos médicos más inteligentes que impulsan los enfoques de la medicina personalizada a una serie de enfermedades y discapacidades".
El estudio fue financiado por una beca del Programa de Tecnologías Emergentes Futuras Horizonte 2020 de la Unión Europea y una beca de doctorado financiada por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (ESPRC).
