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Los investigadores de Stanford prueban la primera versión del biohybrid de la sinapsis artificial

En 2017, los investigadores de la Universidad de Stanford presentaron un nuevo dispositivo que imita el proceso de los nervios eficiente y de poca energía del cerebro de aprendizaje. Era una versión artificial de una sinapsis - el entrehierro a través del cual los neurotransmisores viajan para comunicar entre las neuronas - hecha de los materiales orgánicos. En 2019, los investigadores montaron nueve de sus sinapsis artificiales juntas en un arsenal, mostrando que podrían ser programados simultáneamente imitar la operación paralela del cerebro.

Ahora, en el 15 de junio publicado papel en materiales de la naturaleza, han probado la primera versión del biohybrid de su sinapsis artificial y han demostrado que puede comunicar con las células vivas. Las tecnologías futuras que provenían este dispositivo podían funcionar respondiendo directamente a las señales químicas del cerebro. La investigación conducto en colaboración con investigadores en Istituto Italiano di Tecnologia (Instituto de Tecnología italiano - IIT) en Italia y en la Universidad Tecnológica de Eindhoven (Países Bajos).

Este papel destaca realmente la fuerza única de los materiales que utilizamos en poder obrar recíprocamente con la materia viva. Las células son sentada feliz en el polímero suave. Pero la compatibilidad va más profunda: Estos materiales trabajan con el mismo uso de las neuronas de las moléculas naturalmente.”

Alberto Salleo, profesor de la ciencia material y de la ingeniería en Stanford y autor co-mayor del papel

Mientras que otros dispositivos cerebro-integrados requieren una señal eléctrica de descubrir y de tramitar los mensajes del cerebro, las comunicaciones entre este dispositivo y células vivas ocurren con la electroquímica - como si el material era apenas otra neurona que recibía mensajes de su vecino.

Cómo las neuronas aprenden

La sinapsis artificial del biohybrid consiste en dos electrodos suaves del polímero, separados por una trinchera llenada de la solución del electrólito - que hace la parte de la hendidura sináptica que separa las neuronas de comunicación en el cerebro. Cuando las células vivas se ponen encima de un electrodo, los neurotransmisores que la baja de esas células puede reaccionar con ese electrodo a los iones de la producción. Esos iones viajan a través de la trinchera al segundo electrodo y modulan el estado conductor de este electrodo. Algo de ese cambio se preserva, simulando el proceso de aprendizaje que ocurre en naturaleza.

“En una sinapsis biológica, esencialmente todo es controlado por acciones recíprocas químicas en la unión sináptica. Siempre que las células comuniquen el uno con el otro, están utilizando química,” dijo a Scott Keene, estudiante de tercer ciclo en Stanford y autor del co-guía del papel. El “poder obrar recíprocamente con la química natural del cerebro da la utilidad adicional dispositivo.”

Este proceso imita la misma clase de aprendizaje considerada en sinapsis biológicas, que es muy eficiente en términos de energía porque el almacenamiento el calcular y de la memoria suceso en una acción. En sistemas informáticos más tradicionales, los datos se tramitan primero y en seguida se mueven más adelante al almacenamiento.

Para probar su dispositivo, los investigadores utilizaron las células neuroendocrinas de la rata que liberan la dopamina del neurotransmisor. Antes de que ejecutaran su experimento, eran insegura cómo la dopamina obraría recíprocamente con su material - pero vieron un cambio permanente en el estado de su dispositivo sobre la primera reacción.

“Sabíamos que la reacción es irreversible, así que tiene sentido que causaría un cambio permanente en el estado conductor del dispositivo,” dijo a Keene. “Pero, era duro saber si lograríamos el resultado que predijimos en el papel hasta que lo viéramos suceso en el laboratorio. Ése era cuando realizamos que el potencial que éste tiene para emular al proceso de aprendizaje a largo plazo de una sinapsis.”

Un primer paso

Este diseño del biohybrid es en tales primeros tiempos que el foco principal de la investigación actual era simple hacer que trabaja.

“Es una demostración que esta comunicación melding química y electricidad es posible,” dijo a Salleo. “Usted podría decir que es un primer paso hacia un interfaz de la cerebro-máquina, pero es un primer paso minúsculo, minúsculo.”

Ahora que los investigadores han probado con éxito su diseño, están imaginando los mejores caminos para la investigación futura, que podría incluir el trabajo sobre las computadores cerebro-inspiradas, los interfaces de la cerebro-máquina, aparatos médicos o la nueva investigación trabaja con herramienta para la neurología. Ya, están trabajando en cómo hacer que el dispositivo funciona mejor en fijaciones biológicas más complejas que contengan diversas clases de células y de neurotransmisores.

Source:
Journal reference:

Keene, S.T., et al. (2020) A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity. Nature Materials. doi.org/10.1038/s41563-020-0703-y.