La biocomputación, un campo tecnológico de vanguardia que opera en la intersección de la biología, la ingeniería y la informática, busca utilizar células y subcomponentes celulares para efectuar funciones tradicionalmente hechas por las computadoras electrónicas.
Esta innovadora tecnología, conocida como “inteligencia organoide” (OI), echa mano de células cerebrales humanas cultivadas en laboratorio, llamados organoides, que se combinan con circuitos electrónicos convencionales para funcionar como un hardware biológico.
Los investigadores, que denominan al sistema Brainoware, tienen como objetivo construir “un puente entre la Inteligencia Artiticial (IA) y los organoides”, según se describe en un artículo recientemente publicado en la revista científica Nature Electronics.
“La IA y el cerebro humano dependen del paso de señales a través de una red de nodos, conocida como red neuronal. La idea es explorar qué posibilidades hay de aprovechar la red neuronal biológica dentro del organoide cerebral para la computación", explica Feng Guo, coautor del estudio y bioingeniero de la Universidad de Indiana, en Estados Unidos.
Aunque los resultados están lejos de constituir un “mini cerebro”, las conclusiones son alentadoras. La biocomputadora híbrida pudo efectuar tareas, como reconocer las voces de ocho personas diferentes en un conjunto de 240 grabaciones con una precisión del 78%.
Los investigadores destacan que la tecnología no sólo podría algún día integrarse en sistemas de IA o formar la base de modelos cerebrales mejorados para la investigación en neurociencia, sino también contribuir a despejar nuevos caminos hacia los avances biomédicos.
Por lo pronto, para la producción de los organoides, los científicos utilizaron células madre capaces de especializarse en diferentes tipos de células, que en este caso se transformaron en neuronas similares a las que se encuentran en el cerebro humano.
Para crear Brainoware, los científicos colocaron un único organoide en una placa que contiene miles de electrodos. Luego tradujeron la información que querían ingresar en un patrón de pulsos eléctricos que entregaron al organoide.
La respuesta del tejido fue captada por un sensor y decodificada mediante un algoritmo de aprendizaje automático que puede identificar la información con la que se relaciona. El “mini cerebro” finalmente reaccionó de manera diferente a cada voz, generando un patrón distinto de actividad neuronal.
“Aunque se necesita mucha más investigación, el estudio confirma algunas ideas teóricas clave que eventualmente podrían hacer posible una computadora biológica”, dice Lena Smirnova, neurocientífica del desarrollo de la Universidad John Hopkins, en Baltimore, Estados Unidos.
Experimentos anteriores habían demostrado que sólo cultivos bidimensionales de células neuronales podían efectuar tareas similares, pero esta es la primera vez que se demuestra en un organoide cerebral tridimensional.
“La combinación de organoides y computadoras podría permitir a los investigadores aprovechar la velocidad y la eficiencia energética de los cerebros humanos para la IA”, evalúa Guo. “La tecnología también podría usarse para educarse el cerebro”, agrega Arti Ahluwalia, ingeniero biomédico de la Universidad de Pisa, en Italia.
La razón es que los organoides cerebrales pueden reparar la arquitectura y la función de un cerebro de una manera que los cultivos celulares simples no pueden. “Existe la posibilidad de usar Brainoware para modelar y educarse trastornos neurológicos, como la enfermedad de Alzheimer”, indica Ahluwalia.
Según los investigadores, también sería posible justificar los efectos y las toxicidades de diferentes tratamientos observando cómo reaccionan los organoides. “Ahí es donde está la promesa; usarlos para, con azar, algún día reemplazar los modelos animales del cerebro”, puntualiza Ahluwalia.
No obstante, el usufructo de células vivas para la informática no está exento de problemas. Un gran inconveniente es cómo mantener vivos los organoides. Las células deben cultivarse y preservarse en incubadoras, algo que será más difícil de lograr cuanto más grandes sean los organoides. “Y las tareas más complejas exigirán ‘cerebros’ más grandes”, afirma Smirnova.
Para aprovechar las capacidades de Brainoware, Guo dice que 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.
“Esto será principal si se van a incorporar a los microchips de silicio que se utilizan actualmente en la informática de IA”, explica.
Los expertos suelen destacar que las computadoras de silicio son ciertamente mejores con los números, pero que el cerebro humano es siempre superior cuando se trata de aprender; además de ser muchísimo más eficiente en términos energéticos.
“Creemos que esta tecnología lanzará una nueva era en la biocomputación, mucho más rápida, potente y eficiente”, estima Thomas Hartung, de la Universidad Johns Hopkins.
Por ejemplo, AlphaGo, la IA que venció al jugador de Go número uno del mundo en 2017, fue entrenada con datos de 160.000 partidas. Una persona tendría que jugar cinco horas al día durante más de 175 años para experimentar tantas alternativas, pero la cantidad de energía gastada fue más que la necesaria para mantener a un adulto azogado durante una década.
“Los cerebros también tienen una capacidad asombrosa para almacenar información, estimada en 2.500 terabytes. Estamos llegando a los límites físicos de las computadoras de silicio porque no podemos empaquetar más transistores en un chip diminuto”, explica Hartung.
Pese al entusiasmo, los investigadores señalan otros desafíos. Uno de los ellos: emular la red neuronal de los humanos, compuesta por alrededor de 100.000 millones de neuronas conectadas a través de más de 1.015 puntos.
Para acercarse a una red de esas características, la OI necesitaría no menos de 10 millones de células, cuando las actuales están formadas por unas 50.000.
De acuerdo con uno de los coautores de la investigación, el doctor Brett Kagan del Cortical Labs, la investigación ha proporcionado hasta el momento una prueba de concepto. Su equipo, en un trabajo paralelo, demostró que un cultivo de células cerebrales puede aprender a jugar al videojuego Pong.
“De aquí en adelante es sólo cuestión de construir la comunidad científica, las herramientas y las tecnologías para desarrollar todo el potencial de la OI”, concluye.
(Con información de agencias y de Electronic Nature)
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