Los investigadores han creado una forma para que las redes neuronales artificiales se comuniquen con las redes neuronales biológicas. El nuevo sistema convierte las señales eléctricas artificiales en un patrón visual que luego se utiliza para atraer las neuronas reales a través de la estimulación optogenética de la red. Este avance seráimportante para futuros dispositivos neuroprotésicos que reemplazan las neuronas dañadas con circuitos neuronales artificiales.
Una prótesis es un dispositivo artificial que reemplaza una parte lesionada o faltante del cuerpo. Puedes imaginar fácilmente a un pirata estereotípico con una pierna de madera o la famosa mano robótica de Luke Skywalker. Menos dramáticamente, piensa en prótesis de la vieja escuela como anteojos y contactolentes que reemplazan las lentes naturales en nuestros ojos. Ahora trate de imaginar una prótesis que reemplace parte de un cerebro dañado. ¿Cómo podría ser la materia artificial del cerebro? ¿Cómo podría funcionar?
La creación de tecnología neuroprotésica es el objetivo de un equipo internacional dirigido por el investigador Ikerbasque Paolo Bonifazi del Instituto de Investigación Sanitaria Biocruces Bilbao, España y Timothée Levi del Instituto de Ciencias Industriales, la Universidad de Tokio y del laboratorio IMS, Universidadde Burdeos. Aunque se han desarrollado varios tipos de neuronas artificiales, ninguna ha sido realmente práctica para las neuroprótesis. Uno de los mayores problemas es que las neuronas en el cerebro se comunican con mucha precisión, pero la salida eléctrica de la red neuronal eléctrica típica no puede atacarneuronas. Para superar este problema, el equipo convirtió las señales eléctricas en luz. Como explica Levi, "los avances en tecnología optogenética nos permitieron apuntar con precisión a las neuronas en un área muy pequeña de nuestra red neuronal biológica".
La optogenética es una tecnología que aprovecha varias proteínas sensibles a la luz que se encuentran en las algas y otros animales. Insertar estas proteínas en las neuronas es una especie de truco; una vez que están allí, el brillo de la luz en una neurona la activará o la desactivará,dependiendo del tipo de proteína. En este caso, los investigadores utilizaron proteínas que fueron activadas específicamente por la luz azul. En su experimento, primero convirtieron la salida eléctrica de la red neuronal en el patrón a cuadros de cuadrados azules y negros. Luego,hicieron brillar este patrón en un cuadrado de 0.8 por 0.8 mm de la red neuronal biológica que crece en el plato. Dentro de este cuadrado, solo las neuronas golpeadas por la luz proveniente de los cuadrados azules se activaron directamente.
La actividad espontánea en las neuronas cultivadas produce una actividad sincrónica que sigue un cierto tipo de ritmo. Este ritmo se define por la forma en que las neuronas están conectadas, los tipos de neuronas y su capacidad para adaptarse y cambiar.
"La clave de nuestro éxito", dice Levi, "fue comprender que los ritmos de las neuronas artificiales tenían que coincidir con los de las neuronas reales. Una vez que pudimos hacer esto, la red biológica pudo responder"melodías "enviadas por la artificial. Los resultados preliminares obtenidos durante el proyecto europeo Brainbow, nos ayudan a diseñar estas neuronas artificiales biomiméticas".
Ajustaron la red neuronal artificial para usar varios ritmos diferentes hasta encontrar la mejor combinación. Se asignaron grupos de neuronas a píxeles específicos en la cuadrícula de la imagen y la actividad rítmica fue capaz de cambiar el patrón visual que brilló en el cultivoneuronas. Los patrones de luz se mostraron en un área muy pequeña de las neuronas cultivadas, y los investigadores pudieron verificar las reacciones locales, así como los cambios en los ritmos globales de la red biológica.
"La incorporación de la optogenética en el sistema es un avance hacia la practicidad", dice Levi. "Permitirá que los dispositivos biomiméticos futuros se comuniquen con tipos específicos de neuronas o dentro de circuitos neuronales específicos". El equipo es optimista de que los dispositivos protésicos futuros utilicen su sistemapodrá reemplazar los circuitos cerebrales dañados y restablecer la comunicación entre las regiones cerebrales. "En la Universidad de Tokio, en colaboración con Pr Kohno y el Dr. Ikeuchi, nos estamos centrando en el diseño de sistemas neuromórficos biohíbridos para crear una nueva generación de neuroprótesis".dice Levi.
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Materiales proporcionado por Instituto de Ciencias Industriales, Universidad de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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