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Diseñan unas prótesis neuronales que reemplazan partes del cerebro dañadas

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Imagen cedida por «Bonifaci et al» del esquema del funcionamiento del circuito. EFE

Elena Camacho.- Un equipo internacional de investigadores ha demostrado que es posible utilizar dispositivos neuroprotésicos para simular el funcionamiento de las neuronas del cerebro y reemplazar los circuitos cerebrales dañados o que funcionan mal, un avance que ayudará a recuperar la capacidad de procesamiento de información en un cerebro lesionado o parcialmente disfuncional.

La investigación, liderada por el doctor Paolo Bonifazi, investigador de Biocruces e Ikerbasque (Bilbao) aún no se puede llevar a la práctica clínica, pero es una ‘prueba de concepto’ que demuestra que, en el futuro, con la ayuda de herramientas como la optogenética, se podrán conectar los sistemas neuronales artificiales y los biológicos.

El estudio, que se publica hoy en Scientific Reports, es una colaboración entre investigadores de instituciones de Tel Aviv (Israel), Burdeos (Francia) y Tokio (Japón).

En el trabajo, los investigadores han demostrado en una plataforma ‘in vitro‘ que una red neuronal artificial (de cien neuronas) puede enviar información -en forma de imágenes- a una red neuronal biológica que, a su vez, es capaz de procesarlas en tiempo real y con éxito.

Cien neuronas artificiales

Para demostrarlo, construyeron en un circuito electrónico (con una tarjeta digital comercial de tipo FPGA) una red de cien neuronas artificiales que funciona a la velocidad de un milisegundo -la misma que el cerebro humano-.

El circuito convertía los impulsos eléctricos de las neuronas artificiales en imágenes digitales que eran reproducidas por un viodeoproyector comercial en el que la bombilla fue reemplazada por una luz LED azul.

«Programar este circuito artificial en el que las neuronas funcionaban de forma espontánea fue el primer paso para la creación de un sistema neuromórfico, que es un sistema integrado que simula la actividad biológica neuronal y que fue realizado por el profesor Levi de la Universidad de Burdeos en el proyecto europeo BRAINBOW» «, explica en declaraciones a EFE Paolo Bonifazi.

Posteriormente, los investigadores cultivaron una red neuronal biológica generada a partir de células del cerebro de un ratón: «las cultivamos en laboratorio y las dejamos tres semanas para que se desarrollasen y se conectasen espontáneamente para formar una red muy parecida a la artificial que hicimos nosotros».

Comunicación entre neuronas artificiales y biológicas

La última fase del estudio consistió en que hacer que ambos sistemas neuronales se comunicasen con éxito y, para ello, recurrieron a la optogenética, «una técnica que en los últimos quince años se ha desarrollado rápidamente y que permite estimular la actividad de las neuronas que responden a los estímulos de luz, algo parecido a lo que hacen las células de la retina», detalla el investigador.

Para ello, los investigadores modificaron a las neuronas biológicas genéticamente (optogenética) para que fueran sensibles a la luz azul, y así, cada vez que una imagen azul venía proyectada a través del videoproyector conectado con la tarjeta digital, estas células la detectaban y producían actividad eléctrica en forma de impulsos o «ritmos«.

En el experimento, la red artificial generó actividad, unos impulsos que se convertían en imágenes generadas por un el videoproyector y que eran captadas por las neuronas biológicas que se fueron estimulando y generando otros impulsos

«Con ello vimos que, en condiciones óptimas, pudimos encontrar una ventana en la que había una sincronía entre ambos sistemas (artificial y biológico) y los estímulos del sistema artificial se convertían en respuestas parecidas en el sistema biológico», detalla el investigador.

Estimulación optogenética, una herramienta potencial

El trabajo, que se ha hecho in vitro, «es una prueba de concepto que todavía no es posible llevar a la práctica porque, entre otras cosas, obligaría a modificar neuronas humanas genéticamente, pero demuestra que la estimulación optogenética permite obtener un traslado óptimo de la información porque estimula las células de una manera específica y con precisión».

Este estudio es un paso adelante hacia el desarrollo y uso de dispositivos neuroprotésicos que utilicen redes artificiales biomiméticas para reemplazar los circuitos cerebrales dañados y restaurar el procesamiento de la comunicación y la información de los mismos.

En el futuro, los autores planean construir una configuración similar en microchips para ser implantadas en modelos animales.

 

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