Investigadors dissenyen pròtesis neuronals que reemplacen parts del cervell danyats

Un equip internacional d’investigadors ha demostrat que és possible utilitzar dispositius neuroprotètics per simular el funcionament de les neurones del cervell i reemplaçar els circuits cerebrals danyats o que funcionen malament, un avanç que ajudarà a recuperar la capacitat de processament d’informació a un cervell lesionat o parcialment disfuncional.

La investigació, liderada pel doctor Paolo Bonifazi, investigador de Bioencreuaments i Ikerbasque (Bilbao) encara no es pot portar a la pràctica clínica, però és una ‘prova de concepte’ que demostra que, en el futur, amb l’ajuda d’eines com l’optogenètica, es podran connectar els sistemes neuronals artificials i els biològics.

L’estudi, que es publica aquest dimarts a ‘Scientific Reports’, és una col·laboració entre investigadors d’institucions de Tel Aviv (Israel), Bordeus (França) i Tòquio (Japó).

En el treball, els investigadors han demostrat en una plataforma ‘in vitro’ que una xarxa neuronal artificial (de 100 neurones) pot enviar informació –en forma d’imatges– a una xarxa neuronal biològica que, al seu torn, és capaç de processar-les en temps real i amb èxit.

Per demostrar-ho, van construir en un circuit electrònic (una targeta digital comercial de tipus FPGA) una xarxa de 100 neurones artificials que funciona a la velocitat d’un mil·lisegon –la mateixa que el cervell humà.

D’impulsos a imatges

El circuit convertia els impulsos elèctrics de les neurones artificials en imatges digitals que eren reproduïdes per un viodeoprojector comercial en el qual la bombeta va ser reemplaçada per una llum LED blava.

«Programar aquest circuit artificial en el qual les neurones funcionaven de forma espontània va ser el primer pas per a la creació d’un sistema neuromòrfic, que és un sistema integrat que simula l’activitat biològica neuronal que va ser fet pel professor Levi de la Universitat de Bordeus en el projecte europeu BRAINBOW», explica Paolo Bonifazi.

Posteriorment, els investigadors van cultivar una xarxa neuronal biològica generada a partir de cèl·lules del cervell d’un ratolí: «Les cultivem en laboratori i les vam deixar tres setmanes perquè es desenvolupessin i es connectessin espontàniament per formar una xarxa molt semblant a l’artificial que vam fer nosaltres».

L’última fase de l’estudi va consistir a fer que els dos sistemes neuronals es comuniquessin amb èxit i, per a això, van recórrer a l’optogenètica, «una tècnica que en els últims15 anys s’ha desenvolupat ràpidament i que permet estimular l’activitat de les neurones que responen als estímuls de llum, una cosa semblant a la que fan les cèl·lules de la retina», detalla l’investigador.

Neurones sensibles a la llum

Per a això, els investigadors van modificar les neurones biològiques genèticament (optogenètica) perquè fossin sensibles a la llum blava, i així, cada vegada que una imatge blava venia projectada a través del videoprojector connectat amb la targeta digital, aquestes cèl·lules la detectaven, i produïen activitat elèctrica en forma d’impulsos o «ritmes».

En l’experiment, la xarxa artificial va generar activitat, uns impulsos que es convertien en imatges generades per un el videoprojector i que eren captades per les neurones biològiques que es van anar estimulant i generant altres impulsos.

«Amb això vam veure que, en condicions òptimes, vam poder trobar una finestra en la qual hi havia una sincronia entre els dos sistemes (artificial i biològic) i els estímuls del sistema artificial es convertien en respostes semblants en el sistema biològic», detalla l’investigador.

’Prova de concepte’

El treball, que s’ha fet ‘in vitro’, «és una prova de concepte que encara no és possible portar a la pràctica perquè, entre altres coses, obligaria a modificar neurones humanes genèticament, però demostra que l’estimulació optogenètica permet obtenir un trasllat òptim de la informació perquè estimula les cèl·lules d’una manera específica i amb precisió».

Notícies relacionades

Pluja d’estrelles abril 2023: ¿quan i com veure els Lírids?

Aquestes són les feines que porten més infelicitat

Aquest estudi és un pas endavant cap al desenvolupament i ús de dispositius neuroprotètics que utilitzin xarxes artificials biomimètiques per reemplaçar els circuits cerebrals danyats i restaurar el processament de la comunicació i la informació d’aquests.

En el futur, els autors planegen construir una configuració similar en microxips per ser implantades en models animals.