Investigadores desarrollan método para que las redes neuronales artificiales se comuniquen con las biológicas

Un grupo de investigadores ha desarrollado una forma de que las redes neuronales artificiales se comuniquen con las redes neuronales biológicas. El nuevo desarrollo es un gran paso adelante para los dispositivos neuroprótesicos, que reemplazan las neuronas dañadas con circuitos neuronales artificiales.

El nuevo método se basa en la conversión de señales de picos eléctricos artificiales en un patrón visual. Luego, se utiliza, a través de la estimulación optogenética, para sincronizar las neuronas biológicas.

El artículo titulado “Hacia la comunicación en tiempo real de neuroprótesis desde redes neuronales in silico a biológicas a través de la estimulación optogenética patrocinada” se publicó en Scientific Reports.

Tecnología neuroprótesica

Un equipo internacional liderado por el investigador Ikerbasque Paolo Bonifazi del Instituto de Investigación de Salud Biocruces en Bilbao, España, se propuso crear tecnología neuroprótesica. Estuvo acompañado por Timothée Levi del Instituto de Ciencia Industrial de la Universidad de Tokio.

Uno de los mayores desafíos que rodea esta tecnología es que las neuronas en el cerebro son extremadamente precisas al comunicarse. Cuando se trata de redes neuronales eléctricas, la salida eléctrica no puede apuntar a neuronas específicas.

Para sortear esto, el equipo de investigadores convirtió las señales eléctricas en luz.

Según 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”.

Optogenética

La optogenética es una tecnología que se basa en las proteínas sensibles a la luz que se encuentran en las algas y otros animales. Cuando estas proteínas se insertan en las neuronas, se puede hacer que una neurona sea activa o inactiva, dependiendo del tipo de proteína, mediante la luz.

Los investigadores utilizaron proteínas específicas que se activaban con luz azul en el proyecto. El primer paso fue convertir la salida eléctrica de la red neuronal de picos en un patrón de damero compuesto por cuadrados azules y negros. Luego, este patrón se proyectó con luz sobre un cuadrado de 0,8 por 0,8 mm de la red neuronal biológica, que crecía en un recipiente. Cuando sucedió esto, solo se activaron las neuronas alcanzadas por la luz que provenía de los cuadrados azules.

https://www.youtube.com/watch?time_continue=14&v=W1qVGz4fpiU&feature=emb_title

Se produce actividad sincrónica en las neuronas cultivadas siempre que haya actividad espontánea. Esto da como resultado un tipo de ritmo que se basa en la forma en que las neuronas están conectadas, los diferentes tipos de neuronas y cómo se adaptan y cambian.

“La clave de nuestro éxito”, dice Levi, “fue entender 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’ enviadas por la artificial. Los resultados preliminares obtenidos durante el proyecto European Brainbow nos ayudaron a diseñar estas neuronas artificiales biomiméticas”.

Los investigadores finalmente encontraron la mejor coincidencia después de que la red neuronal artificial se ajustó a diferentes ritmos y pudieron identificar cambios en los ritmos globales de la red biológica.

“Incorporar 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”.

Los dispositivos prótesicos futuros que se desarrollen con el sistema podrían reemplazar los circuitos cerebrales dañados. También podrían restaurar la comunicación entre diferentes regiones del cerebro. Todo esto podría llevar a una generación extremadamente impresionante de neuroprótesis.