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Recreación 3D de una neurona y sus conexiones
(Freepik)
Las nuevas neuronas creadas en el laboratorio pueden aprender y comunicarse usando señales químicas y eléctricas igual que las naturales, abriendo la puerta a nuevos tratamientos inviables hasta ahora
as neuronas son unas células extraordinarias capaces de procesar grandes cantidades de información sin a penas gastar energía. Muchos científicos han intentado reproducirlas artificialmente en el laboratorio para su uso en medicina o computación, pero el resultado estaba muy lejos de alcanzar la enorme eficiencia de las neuronas biológicas. Ahora, un equipo de ingenieros de la Universidad de Massachusetts Amherst (EEUU) lo ha conseguido. Su neurona artificial es la primera de la historia capaz de disparar, aprender y responder a señales químicas exactamente como lo haría una neurona biológica. El avance abre la puerta a ordenadores muchísimo más eficientes o a dispositivos médicos que podrían comunicarse directamente con nuestro cerebro para reparar circuitos neuronales dañados por enfermedades como el alzhéimer.
"Nuestro cerebro procesa una cantidad enorme de datos", explica Shuai Fu, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica y computacional de UMass Amherst y uno de los autores del estudio publicado recientemente en Nature Communications. "Pero su uso de energía es muy, muy bajo, especialmente comparado con la cantidad de electricidad que se necesita para ejecutar un Modelo de Lenguaje Grande, como ChatGPT".
Los investigadores aseguran que el cuerpo humano es más de 100 veces más eficiente eléctricamente que un circuito de un ordenador convencional. Esto significa que si mi cerebro consume apenas 20 vatios para escribir este artículo, un modelo de inteligencia artificial podría necesitar más de un millón de vatios para hacer lo mismo.
Cómo funciona
El ingrediente secreto de esta neurona artificial es un nanohilo de proteína sintetizado a partir de la bacteria Geobacter sulfurreducens, un microorganismo con el superpoder de generar electricidad. Los investigadores construyeron su neurona alrededor de un memristor (un resistor con memoria) fabricado con estos nanoalambres de proteína. Este diseño reduce drásticamente el voltaje necesario para su funcionamiento.
La neurona opera con apenas 60 milivoltios y corrientes diminutas de 1,7 nanoamperios, números comparables a los de las neuronas biológicas. "Las versiones anteriores de neuronas artificiales usaban 10 veces más voltaje y 100 veces más potencia que la que hemos creado", señala Jun Yao, profesor asociado de ingeniería eléctrica y computacional en UMass Amherst y autor principal del estudio. "La nuestra registra solo 0,1 voltios, que es aproximadamente lo mismo que las neuronas de nuestros cuerpos".
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Los investigadores integraron el memristor en un circuito resistor-capacitor simple para replicar las diferentes fases de actividad eléctrica de una neurona. La célula artificial logró la integración de carga (la acumulación lenta antes de que una neurona se dispare), la despolarización rápida (el pico repentino cuando una neurona se activa), y la repolarización (el retorno al estado de reposo).
Reacciona como las neuronas humanas
Para probar el funcionamiento de su célula sintética, los investigadores incorporaron sensores que rastrean sustancias químicas específicas —iones de sodio, dopamina y otros neurotransmisores— alterando el comportamiento eléctrico del circuito según lo que detectan. Es lo que los neurocientíficos llaman neuromodulación: la capacidad de las neuronas biológicas de ajustar su funcionamiento dependiendo del cóctel químico que las rodea.
El equipo hizo luego la prueba conectando su neurona artificial a células cardíacas humanas vivas, esas que bombean sin parar. La neurona electrónica pudo leer su actividad y capturó en directo cómo las células modificaban su ritmo al recibir norepinefrina, un medicamento cardíaco común. Esto, dicen los expertos, marca un antes y un después en la integración de electrónica con tejido vivo.
Un enorme salto tecnológico
Los resultados son impresionantes, aunque todavía hay que ser precavidos. La nueva neurona sintética es por ahora solo un prototipo que funciona en placas de Petri y ambientes esterilizados y todavía falta mucho para verlo funcionando dentro de un cuerpo vivo. Aun así, el salto tecnológico es enorme. Por primera vez existe una tecnología que podría unir lo electrónico con lo biológico de forma natural sin apenas consumir energía.
Este descubrimiento puede traernos desde ordenadores que funcionan como el cerebro humano, hasta una forma de reparar circuitos neuronales destruidos por alzhéimer o párkinson. También puede perfeccionar las interfaces cerebro-ordenador que aún están en pañales, o crear biosensores que vigilen en tiempo real cómo responden las células a un tratamiento.
"Actualmente, tenemos todo tipo de sistemas electrónicos de detección portátiles, pero son comparativamente toscos e ineficientes", explica Yao. "Cada vez que detectan una señal de nuestro cuerpo, tienen que amplificarla eléctricamente para que una computadora pueda analizarla. Ese paso intermedio de amplificación aumenta tanto el consumo de energía como la complejidad del circuito, pero los sensores construidos con nuestras neuronas de
bajo voltaje podrían hacerlo sin ninguna amplificación en absoluto".
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