Una neurona artificial es capaz de comunicarse con células vivas Copiar al portapapeles

Un equipo de ingenieros de la Universidad de Massachusetts Amherst desarrolló una neurona artificial que logra imitar con gran capacidad a las biológicas. El desarrollo se describe en un artículo publicado recientemente por la revista Nature Communications. 

La neurona artificial funciona con electricidad y fue creada para ser eficiente en su uso de energía. Este tipo de tecnología es capaz de comunicarse con células vivas y es mucho más eficiente que los sistemas informáticos actuales.

Neuronas para procesar información de forma eficiente

Los investigadores reconocen en el documento la gran capacidad de las neuronas para codificar y decodificar información espacio-temporal a través de potenciales de acción de amplitudes y energía ultrabajas. Imitar a las neuronas representa un gran paso para el desarrollo de flujos de señales en interfaces bioelectrónicas. 

Uno de los problemas con los intentos previos de crear neuronas artificiales es que difieren en un detalle importante con las neuronas biológicas. Su amplitud de señal y niveles de energía están muy por encima.

En la práctica esto significa que para procesar información, las neuronas artificiales consumen mucha más energía que las biológicas. Shuai Fu, quien es egresado de ingeniería computacional en Universidad de Massachusetts Amherst y aparece como primer firmante del artículo, recuerda que nuestro cerebro procesa grandes cantidades de información.

“Pero su consumo de energía es muy, muy bajo, especialmente en comparación con la cantidad de electricidad que se necesita para ejecutar un modelo de lenguaje grande [LLM, por sus siglas en inglés], como ChatGPT”, ejemplifica Fu.

El cuerpo humano es más de 100 veces más eficiente eléctricamente que los circuitos eléctricos de las computadoras. Nuestro cerebro se compone por miles de millones de neuronas, que son células especializadas en el envío y recepción de impulsos eléctricos de todo el cuerpo. 

Una forma de comparar el consumo de energía entre un organismo biológico y los sistemas informáticos actuales es la escritura de una historia. Mientras que el cerebro humano requiere aproximadamente 20 watts para conseguirlo, un LLM puede consumir hasta un megawatt (1,000,000 watts) de electricidad para la misma tarea.

Los intentos previos de crear neuronas artificiales ofrecían resultados con un alto consumo energético. “Las versiones anteriores de neuronas artificiales utilizaban 10 veces más voltaje y 100 veces más potencia que la que hemos creado”, recuerda Jun Yao, quien es profesor de ingeniería eléctrica y computacional y participó en el desarrollo.

“Nuestro registro solo 0,1 voltios, que es aproximadamente lo mismo que las neuronas en nuestros cuerpos”, explica el mismo Yao. Esto significa que se consiguió un dispositivo más eficiente y que además tiene un amplio rango de aplicaciones. Las posibilidades de diseño de dispositivos informáticos bio-inspirados permite ir más allá, por ejemplo, comunicándose directamente con nuestros cuerpos.

“Actualmente tenemos todo tipo de sistemas de detección electrónica portátil”, menciona Yao. “Pero son relativamente torpes e ineficientes. Cada vez que perciben una señal de nuestro cuerpo, tienen que amplificarla eléctricamente para que un ordenador pueda analizarla”, continúa.

“Ese paso intermedio de amplificación aumenta tanto el consumo de energía y la complejidad del circuito, pero los sensores construidos con nuestras neuronas de bajo voltaje podrían hacerlo sin ninguna amplificación en absoluto”, concluye.

Para crear las neuronas artificiales se recurrió a una proteína sintetizada como un nanohilo. Proviene de la bacteria Geobacter sulfurreducens, que es capaz de producir electricidad.

Los nanohilos han permitido a Yao y sus colegas desarrollar diferentes dispositivos. Entre ellos está una biopelícula que se alimenta de sudor y puede alimentar electrónicos personales. También hay una “nariz electrónica” para detectar enfermedades. Uno más es un dispositivo capaz de recoger electricidad del aire.

La ingeniería inspirada en la biología tiene una serie enorme de posibles aplicaciones. Los investigadores comentan en el documento publicado por Nature Communications que no se limitaron a emular la eficiencia de las neuronas biológicas, además sus neuronas pueden ser moduladas por especies químicas extracelulares de una manera consistente con la neuromodulación en las neuronas biológicas.

Estas neuronas artificiales pueden conectarse a células biológicas y procesar señales en tiempo real para interpretar estados celulares. Así, se sientan bases para explorar el desarrollo de electrónica bio-emulada que mejore las interfaces bio-electrónicas y mejore la integración neuromórfica.

Fuente

Engineers create first artificial neurons that could directly communicate with living cells