Neurociencia

Las neuronas artificiales usan la luz para comunicarse con neuronas reales.

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 será importante para futuros dispositivos neuroprotésicos que reemplacen 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 pata de madera o la famosa mano robótica de Luke Skywalker. 

Menos dramáticamente, piense en prótesis de la vieja escuela como anteojos y lentes de contacto que reemplazan los 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 funcionaría?

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, Universidad de 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 es incapaz de atacar neuronas específicas. 

Para superar este problema, el equipo convirtió las señales eléctricas en luz. Como explica Levi, «los avances en la 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 un tipo de pirateo; Una vez que están allí, la luz brillante sobre una neurona la hará activa o inactiva, 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 neuronas cultivadas produce 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 a las» melodías «enviado por el artificial. Los resultados preliminares obtenidos durante el proyecto europeo Brainbow nos ayudan a diseñar estas neuronas artificiales biomiméticas».

Sintonizaron la red neuronal artificial para usar varios ritmos diferentes hasta que encontraran 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 las neuronas cultivadas. 

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 futuros dispositivos protésicos que usen su sistema podrán 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.

Mayor información: Yossi Mosbacher, Farad Khoyratee, Miri Goldin, et al. «Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation». Scientific Reports, Published: 05 May 2020.

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