BIOTECNOLOGÍA. Desarrollan una 'biocomputadora' que combina tejido cerebral cultivado en laboratorio con hardware electrónico

Desarrollan una 'biocomputadora' que combina tejido cerebral cultivado en laboratorio con hardware electrónico, Brainoware

 

Parte de un organoide cerebral, en el que las células madre (rosa) se diferencian en neuronas (púrpura).Fuente: Steve Gschmeissner/Science Photo Library

Un sistema que integra células cerebrales en una máquina híbrida puede reconocer voces

13 diciembre 2023.- Los investigadores han construido una biocomputadora híbrida, que combina tejido cerebral humano cultivado en laboratorio con circuitos electrónicos convencionales, que puede completar tareas como el reconocimiento de voz.

La tecnología, descrita el 11 de diciembre en Nature Electronics, algún día podría integrarse en sistemas de inteligencia artificial (IA) o forman la base de modelos mejorados del cerebro en la investigación de neurociencia.

Los investigadores llaman al sistema Brainoware. Utiliza organoides cerebrales: conjuntos de células humanas que imitan tejidos y que se utilizan en investigaciones para modelar órganos. Los organoides están formados por células madre capaces de especializarse en diferentes tipos de células. En este caso, se transformaron en neuronas, similares a las que se encuentran en nuestro cerebro.

La investigación tiene como objetivo construir "un puente entre la IA y los organoides". Algunos sistemas de IA se basan en una red de nodos interconectados, conocida como red neuronal, de forma similar a cómo funciona el cerebro. 

Aprovechar la capacidad intelectual

Para fabricar Brainoware, los investigadores colocaron un único organoide en una placa que contenía miles de electrodos para conectar el tejido cerebral a los circuitos eléctricos. Luego convirtieron la información de entrada en un patrón de pulsos eléctricos y la entregaron al organoide. La respuesta del tejido fue captada por un sensor y decodificada mediante un algoritmo de aprendizaje automático.

Para probar las capacidades de Brainoware, el equipo utilizó la técnica para realizar reconocimiento de voz entrenando el sistema en 240 grabaciones de ocho personas hablando. El organoide generó un patrón diferente de actividad neuronal en respuesta a cada voz. La IA aprendió a interpretar estas respuestas para identificar al hablante, con una precisión del 78%.

Aunque se necesita más investigación, el estudio confirma algunas ideas teóricas clave que eventualmente podrían hacer posible una computadora biológica. Experimentos anteriores han demostrado que sólo los cultivos 2D de células neuronales pueden realizar tareas computacionales similares, pero esta es la primera vez que se demuestra en un organoide cerebral 3D.

Mejor modelo cerebral

La combinación de organoides y circuitos podría permitir a los investigadores aprovechar la velocidad y la eficiencia energética de los cerebros humanos para la IA.

La tecnología también podría usarse para estudiar el cerebro porque los organoides cerebrales pueden replicar la arquitectura y la función de un cerebro en funcionamiento de maneras que los cultivos celulares simples no pueden. 

Existe la posibilidad de utilizar Brainoware para modelar y estudiar trastornos neurológicos, como la enfermedad de Alzheimer. También podría usarse para probar los efectos y toxicidades de diferentes tratamientos. “Ahí es donde está la promesa; usarlos para, con suerte, algún día reemplazar los modelos animales del cerebro”, dice Ahluwalia.

Pero el uso de células vivas para la informática no está exento de problemas. Un gran problema es cómo mantener vivos los organoides. Las células deben cultivarse y mantenerse en incubadoras, algo que será más difícil cuanto más grandes se vuelvan los organoides. Y las tareas más complejas exigirán “cerebros” más grandes, afirman los autores del estudio.

Para aprovechar las capacidades de Brainoware, los próximos pasos incluyen investigar si los organoides cerebrales pueden adaptarse para completar tareas más complejas y cómo diseñarlos para que sean más estables y confiables de lo que son ahora. Esto será crucial si se van a incorporar a los microchips de silicio que se utilizan actualmente en la informática de IA.

Fuente: Cai, H., Ao, Z., Tian, C. et al. Brain organoid reservoir computing for artificial intelligence. Nat Electron (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-023-01069-w

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