Los investigadores han replicado en pastillas de semiconductores las propiedades eléctricas de las neuronas biológicas
Con su promesa de aportar nuevos conocimientos para el diagnóstico y el tratamiento de patologías tan diversas como el cáncer y las enfermedades cardiovasculares y neurodegenerativas, la medicina bioelectrónica está en primer plano ahora mismo. Mediante la fusión de diversos ámbitos, como la bioquímica, la medicina molecular, la neurociencia, la inmunología, las ingenierías eléctrica y mecánica, la informática y las matemáticas, la medicina bioelectrónica se centra en la señalización eléctrica del sistema nervioso.
Los investigadores de este campo ya usan esta información para crear dispositivos biomédicos que penetran en las profundidades de las redes neuronales complejas. No obstante, ha sido difícil crear neuronas artificiales por los retos que impone la complejidad de la biología y la dificultad de predecir las respuestas neuronales. Un equipo de científicos respaldados por el proyecto financiado con fondos europeos CResPace ha abordado precisamente este reto.
El equipo ha diseñado neuronas artificiales sobre pastillas de silicona que imitan con precisión células nerviosas vivas y reales que responden a una variedad de estímulos. Sus hallazgos se publicaron en la revista «Nature Communications». «Nuestro enfoque combina varios avances que abren nuevos horizontes para la ingeniería neuromórfica, desde la programación de ordenadores analógicos hasta los bioimplantes suaves».
Ideal para los implantes médicos
La Universidad de Bath, coordinador del proyecto CResPace, resume los hallazgos del estudio en una nota de prensa: «Un punto importante es que las neuronas artificiales no solo se comportan como las neuronas biológicas, sino que solo requieren una milmillonésima parte de la potencia de un microprocesador, lo que las hace ideales para los implantes médicos y otros dispositivos bioelectrónicos».
Según se explica en la nota de prensa: «Las neuronas artificiales podrían reparar los circuitos biológicos enfermos al replicar sus funciones sanas y responder de manera adecuada a la retroalimentación biológica para recuperar las funciones corporales. En la insuficiencia cardíaca, por ejemplo, las neuronas en la base del cerebro no responden adecuadamente a la retroalimentación del sistema nervioso y, a su vez, no envían las señales correctas al corazón, que, por tanto, no bombea con la fuerza que debería».
Además, destaca los retos implicados en la creación de las neuronas artificiales y explica cómo los científicos los han superado. «Los investigadores tuvieron éxito en la modelización y obtención de ecuaciones para explicar cómo las neuronas responden a los estímulos eléctricos de otros nervios. Esto es increíblemente complicado, porque las repuestas no son lineales. En otras palabras, si la señal duplica su potencia, no provocará necesariamente una reacción dos veces más grande, sino que podría triplicarse o ser algo diferente».
En la misma nota de prensa, el profesor Alain Nogaret de la Universidad de Bath, autor principal del estudio, dice: «Nuestro trabajo supone un cambio de paradigma porque ofrece un método robusto para reproducir las propiedades eléctricas de las neuronas reales hasta el más mínimo detalle». Añade que el equipo está «desarrollando marcapasos inteligentes que no solamente estimularán el bombeo del corazón a un ritmo continuo, sino que usarán estas neuronas para responder en tiempo real a las demandas impuestas al corazón, que es lo que ocurre de forma natural en un corazón sano. Otras aplicaciones potenciales podrían ser el tratamiento de patologías como la enfermedad de Alzheimer y enfermedades neuronales degenerativas en general».
Está previsto que el proyecto CResPace (Adaptive Bio-electronics for Chronic Cardiorespiratory Disease), que respaldó el estudio, finalice en diciembre de 2021. Una de las aplicaciones principales de la tecnología desarrollada por el proyecto afecta a la resincronización cardíaca adaptativa, dependiente de redes neuronales pequeñas conocidas como generadores centrales de patrones (CPG, por sus siglas en inglés). Estos circuitos neuronales controlan varias funciones, como la respiración, el ritmo cardíaco y la coordinación entre los músculos encargados de la acción de tragar. El proyecto implementa los CPG con «hardware» físico para replicar el control natural del ritmo cardíaco y resincronizar las cámaras del corazón. Los socios del proyecto esperan que CResPace amplíe y mejore la calidad de vida de los pacientes.
