Científicos crean neurona artificial que imita perfectamente las funciones biológicas reales

Un equipo de ingenieros de la Universidad de Massachusetts Amherst ha desarrollado una neurona artificial revolucionaria que replica con precisión asombrosa el funcionamiento de las neuronas biológicas. Este dispositivo no solo imita el comportamiento neuronal, sino que iguala su tamaño, consumo energético, fuerza de señal, tiempo de respuesta y capacidad de reaccionar a señales químicas.

Un avance que podría transformar la medicina y la computación

Las neuronas son componentes biológicos extraordinarios que permiten procesos complejos como el pensamiento, las emociones y el movimiento mediante comunicación especializada a través de vastas redes utilizando señales eléctricas y químicas. No es sorprendente que la ciencia esté interesada en emular estas células altamente eficientes y extremadamente efectivas.

«Nuestro cerebro procesa una cantidad enorme de datos», explicó Shuai Fu, autor principal del estudio y estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica y computacional de UMass Amherst. «Pero su uso de energía es muy, muy bajo, especialmente comparado con la cantidad de electricidad que toma ejecutar un modelo de lenguaje grande, como ChatGPT».

Tecnología basada en memristores y nanohilos proteicos

Los investigadores construyeron su neurona artificial alrededor de un tipo de memristor (resistor de memoria) fabricado usando nanohilos proteicos de un microbio, Geobacter sulfurreducens. Esta bacteria produce nanohilos conductivos que, cuando se integran en el memristor, reducen drásticamente el voltaje requerido para el cambio de estado.

Como resultado, el memristor puede operar a voltajes muy bajos (aproximadamente 60 mV) y corrientes diminutas (alrededor de 1.7 nA), números comparables a las neuronas biológicas.

«Las versiones anteriores de neuronas artificiales usaban 10 veces más voltaje – y 100 veces más energía – que la que hemos creado», señaló Jun Yao, profesor asociado de ingeniería eléctrica y computacional en UMass Amherst y autor correspondiente del estudio. «La nuestra registra solo 0.1 voltios, que es aproximadamente lo mismo que las neuronas en nuestros cuerpos».

Diseño que replica las fases de actividad neuronal

Los investigadores integraron el memristor en un circuito simple resistor-capacitor (RC) para replicar las diferentes fases de la actividad eléctrica de una neurona:

• Integración de carga: la acumulación lenta antes de que una neurona se dispare
• Despolarización rápida: el pico súbito cuando una neurona se dispara
• Repolarización: un retorno al estado de reposo y preparación para el siguiente pico

Este diseño también permitió al sistema incluir un período refractario, una breve pausa después del disparo, exactamente como una neurona real.

Capacidad de respuesta química

Los investigadores añadieron sensores químicos que podían detectar iones, como el sodio, y neurotransmisores como la dopamine. Estos sensores cambiaron las propiedades eléctricas del circuito en respuesta, imitando cómo las neuronas reales ajustan su comportamiento basándose en señales químicas en su entorno; un proceso conocido como neuromodulación.

Pruebas con células cardíacas humanas reales

Finalmente, conectaron la neurona artificial a células cardíacas humanas reales y palpitantes (cardiomiocitos). El equipo también demostró la interpretación en tiempo real de señales biológicas de la neurona artificial, como detectar cambios en la actividad de cardiomiocitos en respuesta a la exposición al medicamento norepinephrine, un paso crítico hacia la integración directa de estas neuronas con tejido vivo.

Aplicaciones futuras prometedoras

«Actualmente tenemos todo tipo de sistemas de detección electrónica portátiles, pero son comparativamente toscos e ineficientes», dijo Yao. «Cada vez que detectan una señal de nuestro cuerpo, tienen que amplificarla eléctricamente para que una computadora pueda analizarla. Ese paso intermedio de amplificación aumenta tanto el consumo de energía como la complejidad del circuito, pero los sensores construidos con nuestras neuronas de bajo voltaje podrían hacerlo sin ninguna amplificación en absoluto».

Limitaciones actuales y perspectivas

Este es, por supuesto, un prototipo en etapa temprana y los experimentos se realizaron en entornos de laboratorio controlados. El sistema aún no está listo para uso dentro de un organismo vivo. Sin embargo, el descubrimiento representa un salto importante en bioelectrónica que podría formar la base para tecnologías futuras que fusionen electrónica y biología de manera mucho más natural que nunca.

Estas neuronas podrían algún día ayudar a reparar o reemplazar circuitos cerebrales dañados, mejorar interfaces cerebro-máquina (BMIs), o servir como sensores que monitoreen la salud celular y respuestas a medicamentos en tiempo real. Como consumen muy poca energía y operan a niveles de señal biológica, tales neuronas artificiales podrían llevar a hardware de computación inspirado en el cerebro mucho más eficiente.