Circuitos “vivos”
Cada vez más interesados en los asuntos de la biología, los físicos intentan comprender los principios básicos que rigen el comportamiento de los seres vivos para tratar de emularlos de manera artificial. En el Laboratorio de Sistemas Dinámicos de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA diseñan circuitos electrónicos que imitan a las neuronas biológicas.
La percepción de un aroma, la orden para mover un brazo o una pierna, el dolor… Sensaciones y movimientos. Se trata de fenómenos aparentemente dispares, y sin embargo tienen algo en común: se transmiten a través de las neuronas mediante impulsos eléctricos. Se podría pensar entonces al sistema nervioso como una gran red eléctrica y, en ese caso, también podría pensarse en reemplazar neuronas dañadas mediante circuitos electrónicos. Una fantasía todavía muy lejana, pero para nada improbable.
El paulatino avance en el conocimiento neurológico y el desarrollo de nuevas tecnologías electrónicas e informáticas han permitido progresos significativos en el campo de las llamadas neuroprótesis. De hecho, hoy existen dispositivos experimentales que, más temprano o más tarde, posibilitarán que las personas sordas puedan oír, o que los individuos ciegos puedan reconocer imágenes. También, buscando solucionar la pérdida de capacidades motoras en pacientes que sufrieron lesiones en la médula espinal, se han diseñado prótesis neurales que, mediante microelectrodos implantados en la corteza cerebral, registran las señales del cerebro y las “traducen” en estímulos que pueden contraer músculos o mover brazos robotizados.
Pero, por la naturaleza de su diseño, todos estos aparatos están pensados para reemplazar las funciones de órganos o miembros completos, y no toman en cuenta la posibilidad de solucionar problemas ocasionados por la pérdida acotada de células nerviosas, como ocurre en algunas enfermedades neurodegenerativas –por ejemplo el Parkinson- o, también, luego de un accidente cerebro-vascular.
Durante la última década, algunas investigaciones han conducido al desarrollo de circuitos electrónicos que imitan la función de una neurona. Ahora, los científicos apuntan a interconectar esos circuitos con el fin de reemplazar grupos de neuronas. Y no se descarta la posibilidad de sustituir un sistema nervioso completo.
Sistema eléctrico
Fueron millones de años de evolución los que debió transitar la vida para refinar un sistema que le permitiera transmitir mensajes instantáneos de una parte a otra de un organismo. Y la solución que finalmente encontró fue el impulso eléctrico. “Las neuronas se expresan mediante la actividad eléctrica, y uno puede imitar satisfactoriamente una función neuronal porque el paradigma fundamental de la neurobiología está en gran parte depositado en la electrónica”, señala Lidia Szczupak, doctora en biología e investigadora del Conicet en el Laboratorio de Fisiología y Biología Molecular y Celular dela Facultadde Ciencias Exactas y Naturales (FCEyN) dela UBA.
En ese paradigma, podría imaginarse a las neuronas como cables de un sistema eléctrico de múltiples interconexiones, en donde el voltaje de la red es muy bajo (del orden de los milivoltios). En ese sistema, existe una infinidad de “botones” que, cuando son accionados, encienden un determinado circuito. Por ejemplo, un pinchazo en un dedo acciona la “tecla” que enciende un circuito del dolor, un estímulo luminoso en la retina activa el circuito de la visión, y una “orden química” en el cerebro enciende la vía motora responsable de un movimiento determinado.
¿Y cómo se transmite ese estímulo a través de la red? Cuando un circuito “se enciende” por una señal externa (el pinchazo, por ejemplo), se produce un cambio en la disposición de las cargas eléctricas que hay a un lado y otro de la membrana de la célula nerviosa que recibe el estímulo. En apenas milisegundos, ese hecho modifica el voltaje de la membrana de esa neurona haciéndolo crecer en unos pocos milivoltios. Si ese voltaje supera un cierto umbral se dispara entonces lo que se denomina potencial de acción, que consiste en la transmisión de ese cambio eléctrico a una o más neuronas vecinas, las que, de la misma manera, transmitirán ese impulso a otras células contiguas, y así sucesivamente hasta completar el circuito. En definitiva, mediante este mecanismo, las neuronas se comunican y el organismo consigue transmitir un mensaje de manera prácticamente instantánea y sin que la señal pierda sus características originales: “El potencial de acción es la unidad de información de toda neurona y es un fenómeno que asegura que en un cable largo, como es el caso de las prolongaciones neuronales, no se pierda algo de la señal en el espacio”, ilustra Szczupak.
Pero la complejidad de un sistema que requirió millones de años de prueba y error no puede ser imitada fácilmente. De hecho, los científicos no se proponen construir algo idéntico a lo que generó la naturaleza, sino, más bien, interpretar el mecanismo y tomar de él los principios básicos que posibilitan su funcionamiento.
Preguntarle a la biología
Desde un punto de vista electrónico, una neurona se puede representar con un circuito eléctrico relativamente simple. Pero si se quiere emular su comportamiento, la tarea se vuelve un poco más complicada, porque la célula nerviosa tiene una conducta “no lineal”, es decir, no responde a un estímulo de manera proporcional a la intensidad de la señal. Más bien, hace falta que la señal crezca lo suficiente en intensidad como para alcanzar el umbral que permite que se dispare el potencial de acción. Con este mecanismo, la naturaleza consigue que el sistema de transmisión de la información sea de “todo o nada”, en el que sólo hay dos respuestas posibles: que el impulso se transmita, o que no se transmita.
“Una neurona electrónica es un circuito que representa la dinámica no lineal de una neurona biológica”, explica el médico Jacobo Sitt, investigador del Laboratorio de Sistemas Dinámicos del Departamento de Física dela FCEyN.
Como muchos otros comportamientos, la conducta “no lineal” de una célula nerviosa puede ser representada mediante ecuaciones, las que a su vez pueden ser resueltas por medio de una computadora. De esta manera, un circuito eléctrico conectado a un procesador de datos puede imitar el proceso de toma de decisiones de una neurona biológica, es decir, de generación o transmisión del potencial de acción. Esto es, en esencia, una neurona electrónica.
Pero, lógicamente, el diseño no es todo. Resta conectar el dispositivo -mediante microelectrodos- a una o más células nerviosas para verificar que funciona. “Para confirmar que el sistema es válido hay que preguntarle a la biología, es decir, hay que hacerlo interactuar con las neuronas biológicas y comprobar que funciona en tiempo real, en los tiempos que maneja la biología”, ilustra Sitt. El problema es que el conjunto de ecuaciones que debe resolverse es bastante complejo, y aún las computadoras más nuevas no son lo suficientemente rápidas como para poder interactuar en tiempo real con las células nerviosas. “No es que el sistema sea más lento, sino que tiene que resolver un problema que las neuronas biológicas no necesitan solucionar. Porque en el mundo real las ecuaciones se resuelven naturalmente”, indica.
Para lograr que la electrónica y la biología se sincronicen, las investigaciones en el campo de las neuronas electrónicas se valen de dispositivos especializados en procesar señales en tiempo real. Se trata de los procesadores digitales de señales (DSP, por sus siglas en inglés), sistemas presentes en múltiples aplicaciones de la vida diaria, como teléfonos celulares, reproductores digitales de audio, módems inalámbricos, cámaras digitales, entre muchas otras. Un DSP es un sistema que posee un hardware y un software optimizados para efectuar operaciones numéricas a muy alta velocidad.
“De esta manera, podemos diseñar el programa en una computadora, y después transferirlo a un chip del DSP. Así, por ejemplo, se puede representar el comportamiento de cien neuronas con sus sinapsis (unión entre neuronas), y, también, modificar las conexiones entre las mismas modificando la programación del chip”, consigna Sitt.
Modificar la biología
Algunos experimentos dirigidos a reemplazar eficazmente células nerviosas con neuronas electrónicas han sido exitosos. Por ejemplo, un equipo de científicos dela Universidadde California en San Diego consiguió sustituir un grupo de neuronas de la langosta de mar por sus análogas eléctricas. También fue posible el reemplazo de una neurona de la sanguijuela mediante un circuito electrónico gracias al trabajo conjunto entre la doctora Szczupak y un grupo de físicos del Laboratorio de Sistemas Dinámicos dela FCEyN. Entreestos últimos, se encuentra Gabriel Mindlin, doctor en física e investigador del Conicet: “Queremos reemplazar un grupo de neuronas del cerebro de ciertas aves cantoras, porque son un modelo animal muy bueno para estudiar el aprendizaje de un comportamiento complejo”, informa Mindlin.
Muy pocas especies animales comparten con el ser humano la característica de necesitar un tutor para aprender a vocalizar. Entre ellas, hay algunos cetáceos, como los delfines y las ballenas, y algunas aves, como los colibríes, los loros y las oscinas (cantoras). Entre estas últimas, los jilgueros y los canarios son los modelos de trabajo de Mindlin: “En estas aves, los núcleos neuronales involucrados en el control del habla son pocos y se los conoce muchísimo, por eso, es un modelo excelente para estudiar aprendizajes sofisticados”, señala.
El reemplazo de esos núcleos neuronales con dispositivos electrónicos permitiría estudiar profundamente la neurofisiología del canto de las aves observando los efectos de suprimir, potenciar o intercambiar conexiones neuronales o, incluso, de crear sinapsis donde antes no las había. “Al principio parece muy complejo, pero cuando uno analiza las señales motoras de estos núcleos comprueba que su control requiere de instrucciones relativamente sencillas, que son representables por una ecuación relativamente simple. Por eso, no es descabellado pensar en reemplazar esos núcleos”.
A la hora de pensar en la posibilidad de utilizar este tipo de dispositivos para reemplazar áreas dañadas del cerebro involucradas en el proceso del habla, Mindlin es cauteloso: “Este podría ser un modelo que podría utilizarse para estudiar otras especies”.
Futuro en mente
La posibilidad de utilizar neuronas electrónicas para resolver problemas de salud es, todavía, muy lejana. Por ahora, y por mucho tiempo más, serán útiles para efectuar experimentos electrofisiológicos que permitan comprender el funcionamiento del sistema nervioso. Además, uno de los desafíos que tendrán que sortear estos aparatos es el de la miniaturización: “Si bien aquí lo achicamos mucho, el modelo más pequeño es de aproximadamente cuatro por ocho centímetros” consigna Sitt.
Por lo pronto, una de las aplicaciones actuales de esta tecnología está en la neurorobótica. Los neurorobots son dispositivos que tienen sistemas de control diseñados a partir de los principios que rigen el funcionamiento del sistema nervioso: “Lo que hacen es copiar las soluciones que encontró la biología para los problemas de la vida real. De esta manera, pueden aprender de su entorno y resolver problemas”, explica Sitt.
Por ejemplo, un área de particular interés para la neurorobótica son los sistemas de navegación basados en el funcionamiento del hipocampo de las ratas, debido a que estos animales tienen una gran habilidad para desplazarse, tanto en la luz como la oscuridad. Otra propiedad del sistema nervioso de los seres vivos que le interesa a la neurorobótica es la habilidad para organizar en categorías las señales provenientes del ambiente, una capacidad que depende de la combinación de diferentes estímulos sensoriales (imágenes, sonidos, gustos).
Pero los neurorobots también pueden devolverle a la biología algo de lo que ella les enseña, pues el estudio del comportamiento de estos dispositivos podría ser útil para generar hipótesis acerca de cómo funciona el sistema nervioso de los seres vivos.
En cualquier caso, aunque se pudiera pensar la relación entre el hombre y las máquinas en términos de una cooperación recíproca, resulta todavía utópico imaginar que una máquina pueda imitar realmente la sofisticación de la naturaleza: “Es cierto que la electrónica de una neurona es más que trivial y, por lo tanto, posible de imitar. Lo que creo que es difícil que se pueda lograr es un robot con la elegancia de los movimientos de un animal tan simple como una sanguijuela”, opina Szczupak.
