Estas neuronas sintéticas usan iones para aferrarse a los “recuerdos”, como hacen nuestros cerebros

Tecnología

Los científicos han creado partes clave de las células cerebrales sintéticas que pueden contener “recuerdos” celulares durante milisegundos. El logro podría algún día conducir a computadoras que funcionen como el cerebro humano.

Estas partes, que se utilizaron para modelar una célula cerebral artificial, utilizan partículas cargadas llamadas iones para producir una señal eléctrica, de la misma manera que la información se transfiere entre las neuronas del cerebro. Las computadoras actuales pueden hacer cosas increíbles, pero esta potencia de procesamiento tiene un alto costo energético. Por el contrario, el cerebro humano es notablemente eficiente y utiliza aproximadamente la energía contenida en dos plátanos para hacer el trabajo de un día entero.

Si bien las razones de esta eficiencia no están del todo claras, los científicos han razonado que si pudieran hacer que una computadora se pareciera más al cerebro humano, requeriría mucha menos energía. Una forma en que los científicos intentan replicar la maquinaria biológica del cerebro es utilizando el poder de los iones, las partículas cargadas de las que depende el cerebro para producir electricidad.

En el nuevo estudio, publicado en la revista Science el 6 de agosto, investigadores del Centre national de la recherche scientifique en París, Francia, crearon un modelo informático de neuronas artificiales que podrían producir el mismo tipo de señales eléctricas que las neuronas utilizan para transferir información. en el cerebro. Al enviar iones a través de canales delgados de agua para imitar los canales de iones reales, los investigadores podrían producir estos picos eléctricos. Y ahora, incluso han creado un modelo físico que incorpora estos canales como parte de una investigación inédita y en curso.

“Que yo sepa, es la primera vez que la gente [ha hecho] esto con iones”, dijo el coautor del estudio Lydéric Bocquet, físico de la École Normale Supérieure.

En un nivel más fino, los investigadores crearon un sistema que imita el proceso de generación de potenciales de acción: picos en la actividad eléctrica generados por las neuronas que son la base de la actividad cerebral. Para generar un potencial de acción, una neurona comienza a dejar entrar más iones positivos, que son atraídos por los iones negativos dentro de la célula.

El potencial eléctrico, o voltaje a través de la membrana celular, hace que se abran puertas en la celda llamadas canales iónicos activados por voltaje, lo que aumenta la carga aún más antes de que la celda alcance un pico y vuelva a la normalidad unos milisegundos más tarde. Luego, la señal se transmite a otras células, lo que permite que la información viaje por el cerebro.

Para imitar los canales iónicos activados por voltaje, los investigadores modelaron una capa delgada de agua entre láminas de grafeno, que son láminas de carbono extremadamente delgadas. Las capas de agua en las simulaciones tenían una, dos o tres moléculas de profundidad, que los investigadores caracterizaron como una hendidura de casi dos dimensiones.

Bocquet dijo que los investigadores querían usar este entorno bidimensional porque las partículas tienden a reaccionar mucho más fuertemente en dos dimensiones que en tres, y exhiben propiedades diferentes en dos dimensiones, lo que los investigadores pensaron que podrían ser útiles para su experimento.

“En física, las dos dimensiones son muy raras”, dijo Bocquet. “Así que esperas que ocurran cosas nuevas”.

Al probar el modelo en una simulación por computadora, los investigadores encontraron que cuando aplicaban un campo eléctrico al canal, los iones en el agua formaban estructuras parecidas a gusanos. A medida que el equipo aplicaba un campo eléctrico mayor en la simulación, estas estructuras se romperían con la suficiente lentitud como para dejar un “recuerdo” o un indicio de la configuración alargada.

Cuando los investigadores ejecutaron una simulación que vinculaba dos canales y otros componentes para imitar el comportamiento de una neurona, encontraron que el modelo podía generar picos en la actividad eléctrica como potenciales de acción, y que “recordaba” propiedades consistentes en dos estados diferentes, uno donde los iones condujeron más electricidad y uno donde condujeron menos. En esta simulación, la “memoria” del estado previo de los iones duró unos milisegundos, aproximadamente al mismo tiempo que las neuronas reales necesitan para producir un potencial de acción y volver a un estado de reposo.

Este es un tiempo bastante largo para los iones, que generalmente operan en escalas de tiempo de nanosegundos o menos. En una neurona real, un potencial de acción equivale a una memoria celular en la neurona; nuestros cerebros utilizan la apertura y el cierre de canales iónicos para crear este tipo de memoria.

“Tenemos una memoria similar al final, pero la razón del fenómeno es muy diferente”, dijo Bocquet.

Haciendo un ‘recuerdo’
El nuevo modelo es una versión de un componente electrónico llamado memristor, o resistencia de memoria, que tiene la propiedad única de retener información de su historial. Pero los memristores existentes no usan líquido, como lo hace el cerebro.

“Los memristores típicos con los que trabajo, y con los que trabajan otras personas en la literatura, son memristores de estado sólido”, dijo Gina Adam, profesora asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad George Washington, que no participó en el estudio. Esta nueva investigación sobre la creación de memristores fluidos es “muy prometedora y muy intrigante”, agregó Adam.

También dijo que, si bien es probable que las computadoras prácticas similares a cerebros estén muy lejos, esta investigación también podría ayudar a los científicos a comprender mejor cómo el cerebro procesa la información y desarrollar nuevas teorías de la computación similar a la del cerebro. Desde que realizó esta investigación con simulaciones por computadora, Bocquet dice que él y sus colaboradores de la Universidad de Manchester en el Reino Unido han dado vida a su teoría, usándola para crear una sinapsis artificial, la parte de una neurona que transmite señales eléctricas, y han comenzó a realizar experimentos con él.

“Es emocionante porque ahora es un patio de recreo”, dijo Bocquet. “Podemos explorar estas cosas de forma activa”.

Fuente: Live Science.

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