Investigadores desarrollan sinapsis artificial que funciona con células vivas
Una foto de 2017 de Alberto Salleo, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales, y el estudiante graduado Scott Keene caracterizando las propiedades electroquímicas de un diseño de sinapsis artificial anterior. Su última sinapsis artificial es un dispositivo biohíbrido que se integra con células vivas. Crédito: LA Cicero
En 2017, investigadores de la Universidad de Stanford presentaron un nuevo dispositivo que imita el proceso de aprendizaje neuronal eficiente y de baja energía del cerebro. Era una versión artificial de una sinapsis, la brecha a través de la cual viajan los neurotransmisores para comunicarse entre neuronas hechas de materiales orgánicos. En 2019, los investigadores ensamblaron nueve de sus sinapsis artificiales en una matriz, lo que demostró que podían programarse simultáneamente para imitar el funcionamiento paralelo del cerebro.
Ahora, en un artículo publicado el 15 de junio en Nature Materials, probaron la primera versión biohíbrida de su sinapsis artificial y demostraron que puede comunicarse con células vivas. Las tecnologías futuras derivadas de este dispositivo podrían funcionar respondiendo directamente a las señales químicas del cerebro. La investigación se realizó en colaboración con investigadores del Istituto Italiano di Tecnologia (Instituto Italiano de Tecnología IIT) en Italia y de la Universidad Tecnológica de Eindhoven (Países Bajos).
«Este documento realmente destaca la fuerza única de los materiales que usamos para poder interactuar con la materia viva», dijo Alberto Salleo, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford y coautor principal del artículo. «Las células están felices sentadas en el polímero suave. Pero la compatibilidad es más profunda: estos materiales funcionan con las mismas moléculas que las neuronas usan naturalmente».
Mientras que otros dispositivos integrados en el cerebro requieren una señal eléctrica para detectar y procesar los mensajes del cerebro, las comunicaciones entre este dispositivo y las células vivas se producen a través de la electroquímica, como si el material fuera una neurona más que recibe mensajes de su vecina.
Cómo aprenden las neuronas
La sinapsis artificial biohíbrida consiste de dos electrodos de polímero suave, separados por una zanja llena de solución de electrolitos que desempeña el papel de la hendidura sináptica que separa las neuronas comunicantes en el cerebro. Cuando se colocan células vivas sobre un electrodo, los neurotransmisores que liberan esas células pueden reaccionar con ese electrodo para producir iones. Esos iones viajan a través de la zanja hasta el segundo electrodo y modulan el estado conductivo de este electrodo. Parte de ese cambio se conserva, simulando el proceso de aprendizaje que ocurre en la naturaleza.
«En una sinapsis biológica, esencialmente todo está controlado por interacciones químicas en la unión sináptica. Cada vez que las células se comunican entre sí, estamos usando la química», dijo Scott Keene, estudiante de posgrado en Stanford y coautor principal del artículo. «Poder interactuar con la química natural del cerebro le da al dispositivo una utilidad adicional».
Este proceso imita el mismo tipo de aprendizaje que se observa en las sinapsis biológicas, que es altamente eficiente en términos de energía porque la computación y el almacenamiento de memoria suceder en una sola acción. En los sistemas informáticos más tradicionales, los datos se procesan primero y luego se trasladan al almacenamiento.
Para probar su dispositivo, los investigadores utilizaron células neuroendocrinas de rata que liberan el neurotransmisor dopamina. Antes de realizar su experimento, no estaban seguros de cómo la dopamina interactuaría con su material, pero vieron un cambio permanente en el estado de su dispositivo en la primera reacción.
«Sabíamos que la reacción es irreversible, por lo que tiene sentido que cause un cambio permanente en el estado conductivo del dispositivo», dijo Keene. «Pero era difícil saber si lograríamos el resultado que predijimos en el papel hasta que lo vimos en el laboratorio. Fue entonces cuando nos dimos cuenta del potencial que esto tiene para emular el proceso de aprendizaje a largo plazo de una sinapsis».
Un primer paso
Este diseño biohíbrido se encuentra en etapas tan tempranas que el enfoque principal de la investigación actual fue simplemente hacer que funcione.
«Es un demostración de que esta comunicación que fusiona la química y la electricidad es posible», dijo Salleo. «Se podría decir que es un primer paso hacia una interfaz cerebro-máquina, pero es un primer paso muy, muy pequeño».
Ahora que los investigadores han probado con éxito su diseño, están descubriendo los mejores caminos para futuras investigaciones, que podrían incluir trabajos en computadoras inspiradas en el cerebro, interfaces cerebro-máquina, dispositivos médicos o nuevas herramientas de investigación para la neurociencia. Ya están trabajando en cómo hacer que el dispositivo funcione mejor en entornos biológicos más complejos que contienen diferentes tipos de células y neurotransmisores.
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Sinapsis artificial rápida, eficiente y duradera desarrollada Más información: Una sinapsis biohíbrida con plasticidad mediada por neurotransmisores, Nature Materials (2020). DOI: 10.1038/s41563-020-0703-y, www.nature.com/articles/s41563-020-0703-y Información de la revista: Nature Materials
Proporcionado por la Universidad de Stanford Cita: Investigadores desarrollan sinapsis artificial que funciona con células vivas (15 de junio de 2020) consultado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-06-artificial-synapse-cells.html Este documento es sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.