Células cerebrales humanas en un plato aprenden a jugar al Pong
Las neuronas biológicas vivas muestran más sobre el funcionamiento de un cerebro de lo que la IA jamás podrá mostrar
Un equipo dirigido por Melbourne ha demostrado por primera vez que 800.000 células cerebrales que viven en un plato pueden realizar tareas dirigidas a un objetivo, en este caso el sencillo juego de ordenador Pong, similar al tenis. Los resultados del estudio se publican en la revista Neuron.
Imagen simbólica
Computer generated picture
Una imagen de microscopía de células neuronales en la que los marcadores fluorescentes muestran diferentes tipos de células. El verde marca las neuronas y los axones, el morado las neuronas, el rojo las dendritas y el azul todas las células. Cuando hay varios marcadores, los colores se fusionan y suelen aparecer en amarillo o rosa según la proporción de marcadores.
Cortical Labs
El director científico de Cortical Labs, el Dr. Brett J. Kagan (sentado), y el director ejecutivo, el Dr. Hon Weng (de pie), realizando trabajos con células en matrices de multielectrodos en una campana de bioseguridad
Cortical Labs
Imagen de microscopio electrónico de barrido de un cultivo neuronal que ha crecido durante más de seis meses en una matriz de electrodos múltiples de alta densidad. Unas pocas células neuronales crecen alrededor de la periferia y han desarrollado complicadas redes que cubren los electrodos del centro
Cortical Labs
Ahora van a averiguar qué ocurre cuando su DishBrain se ve afectado por medicamentos y alcohol.
"Hemos demostrado que podemos interactuar con neuronas biológicas vivas de tal manera que las obligamos a modificar su actividad, lo que da lugar a algo que se asemeja a la inteligencia", dice el autor principal, el Dr. Brett Kagan, que es director científico de la empresa biotecnológica Cortical Labs, dedicada a construir una nueva generación de chips informáticos biológicos. Sus coautores están afiliados a la Universidad de Monash, la Universidad RMIT, el University College de Londres y el Instituto Canadiense de Investigación Avanzada.
"DishBrain ofrece un enfoque más sencillo para comprobar cómo funciona el cerebro y obtener información sobre enfermedades debilitantes como la epilepsia y la demencia", afirma el Dr. Hon Weng Chong, director general de Cortical Labs.
Aunque los científicos llevan tiempo montando neuronas en matrices de electrodos múltiples y leyendo su actividad, ésta es la primera vez que se estimulan las células de forma estructurada y significativa.
"En el pasado, los modelos del cerebro se han desarrollado de acuerdo con la forma en que los informáticos piensan que podría funcionar el cerebro", dice Kagan. "Eso suele basarse en nuestra comprensión actual de la tecnología de la información, como la computación de silicio.
"Pero en realidad no entendemos cómo funciona el cerebro".
Al construir un modelo de cerebro vivo a partir de estructuras básicas de este modo, los científicos podrán experimentar utilizando la función cerebral real en lugar de modelos análogos defectuosos como un ordenador.
Kagan y su equipo, por ejemplo, experimentarán a continuación para ver qué efecto tiene el alcohol cuando se introduce en el DishBrain.
"Intentamos crear una curva de respuesta a la dosis de etanol, es decir, emborracharlos y ver si juegan peor, igual que cuando la gente bebe", dice Kagan.
Esto abre potencialmente la puerta a formas completamente nuevas de entender lo que ocurre con el cerebro.
"Esta nueva capacidad de enseñar a los cultivos celulares a realizar una tarea en la que muestran sensibilidad -al controlar la pala para devolver la pelota mediante la detección- abre nuevas posibilidades de descubrimiento que tendrán consecuencias de gran alcance para la tecnología, la salud y la sociedad", afirma el Dr. Adeel Razi, director del Laboratorio de Neurociencia Computacional y de Sistemas de la Universidad de Monash.
"Sabemos que nuestros cerebros tienen la ventaja evolutiva de haber sido afinados durante cientos de millones de años para la supervivencia. Ahora, parece que tenemos al alcance de la mano la posibilidad de aprovechar esta inteligencia biológica increíblemente potente y barata".
Los hallazgos también plantean la posibilidad de crear una alternativa a los ensayos con animales a la hora de investigar cómo responden los nuevos fármacos o las terapias génicas en estos entornos dinámicos.
"También hemos demostrado que podemos modificar la estimulación en función de cómo las células cambian su comportamiento y hacerlo en un bucle cerrado en tiempo real", dice Kagan.
Para llevar a cabo el experimento, el equipo de investigación tomó células de ratón procedentes de cerebros embrionarios, así como algunas células cerebrales humanas derivadas de células madre, y las hizo crecer sobre matrices de microelectrodos que podían tanto estimularlas como leer su actividad.
Los electrodos situados a la izquierda o a la derecha de una matriz se disparaban para indicar a Dishbrain en qué lado estaba la pelota, mientras que la distancia a la que se encontraba la pala se indicaba mediante la frecuencia de las señales. La retroalimentación de los electrodos enseñaba a DishBrain cómo devolver la pelota, haciendo que las células actuaran como si ellas mismas fueran la pala.
"Nunca antes habíamos podido ver cómo actúan las células en un entorno virtual", dice Kagan. "Conseguimos construir un entorno de bucle cerrado que puede leer lo que ocurre en las células, estimularlas con información significativa y luego cambiar las células de forma interactiva para que puedan alterarse realmente".
"El aspecto hermoso y pionero de este trabajo consiste en dotar a las neuronas de sensaciones -la retroalimentación- y, fundamentalmente, de la capacidad de actuar sobre su mundo", afirma el coautor, el profesor Karl Friston, neurocientífico teórico de la UCL de Londres.
"Sorprendentemente, los cultivos aprendieron a hacer su mundo más predecible actuando sobre él. Esto es notable porque no se puede enseñar este tipo de autoorganización; simplemente porque -a diferencia de una mascota- estos minicerebros no tienen sentido de la recompensa y el castigo", afirma.
El potencial de traslación de este trabajo es realmente emocionante: significa que no tenemos que preocuparnos de crear "gemelos digitales" para probar intervenciones terapéuticas. Ahora tenemos, en principio, la "caja de arena" biomimética definitiva en la que probar los efectos de los fármacos y las variantes genéticas: una caja de arena constituida por exactamente los mismos elementos informáticos (neuronales) que se encuentran en tu cerebro y en el mío".
La investigación también respalda el "principio de la energía libre" desarrollado por el profesor Friston.
"Nos enfrentamos a un reto cuando trabajamos en la forma de instruir a las células para que sigan un determinado camino. No tenemos acceso directo a los sistemas de dopamina ni a ninguna otra cosa que pudiéramos utilizar para proporcionar incentivos específicos en tiempo real, así que tuvimos que ir un nivel más profundo hasta llegar a lo que trabaja el profesor Friston: la entropía de la información, un nivel fundamental de información sobre cómo el sistema podría autoorganizarse para interactuar con su entorno a nivel físico".
"El principio de la energía libre propone que las células a este nivel traten de minimizar la imprevisibilidad de su entorno".
Kagan afirma que un hallazgo emocionante fue que DishBrain no se comportó como los sistemas basados en el silicio. "Cuando presentamos información estructurada a las neuronas incorpóreas, vimos que cambiaban su actividad de un modo muy coherente con que se comportaran realmente como un sistema dinámico", afirma.
"Por ejemplo, la capacidad de las neuronas para cambiar y adaptar su actividad como resultado de la experiencia aumenta con el tiempo, lo que es coherente con lo que vemos con la tasa de aprendizaje de las células".
Chong dice que el descubrimiento le entusiasmó, pero que sólo era el principio.
"Este es un territorio nuevo y virgen. Y queremos que más gente se suba a bordo y colabore con esto, que utilice el sistema que hemos construido para seguir explorando esta nueva área de la ciencia", dice.
"Como dijo uno de nuestros colaboradores, no todos los días te levantas y puedes crear un nuevo campo de la ciencia".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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