Neuronas artificiales impresas estimulan los circuitos cerebrales naturales

Las interfaces cerebro-máquina dependen de señales artificiales capaces de activar circuitos neuronales vivos; sin embargo, muchos dispositivos generan señales simplificadas que no logran desencadenar una actividad realista. Estas limitaciones ralentizan el progreso hacia las neuroprótesis, como los implantes, que podrían ayudar a restaurar la audición, la visión y el movimiento. Para abordar este desafío, los investigadores han desarrollado neuronas artificiales impresas que se comunican directamente con células cerebrales vivas.

Ingenieros de la Universidad Northwestern crearon neuronas artificiales flexibles y de bajo costo que generan señales eléctricas lo suficientemente realistas como para activar tejido biológico. Los dispositivos se validaron en cortes de cerebro de ratón, donde indujeron respuestas en neuronas reales. Este trabajo apunta a la posibilidad de desarrollar dispositivos electrónicos que se comuniquen con el sistema nervioso y que podrían ser útiles en futuras aplicaciones neuroprotésicas.

Estos dispositivos utilizan materiales blandos e imprimibles diseñados para imitar mejor la estructura y el comportamiento del tejido cerebral. Tintas electrónicas compuestas de nanopartículas de disulfuro de molibdeno, un semiconductor, y grafeno, un conductor eléctrico, se depositan sobre sustratos de polímero flexibles mediante impresión por chorro de aerosol. Tras la impresión, la descomposición parcial del polímero estabilizador concentra la corriente en un filamento conductor estrecho, lo que produce una respuesta repentina similar a la de una neurona. Las neuronas artificiales resultantes pueden generar impulsos individuales, disparos continuos y patrones de ráfagas que se asemejan mucho a la señalización biológica.

Para realizar pruebas de interfaz biológica, investigadores del Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern aplicaron las señales de salida de neuronas artificiales a cortes de cerebelo de ratón. Los picos de voltaje artificiales coincidieron con características biológicas clave, como la sincronización y la duración de los picos de las neuronas vivas. Estas señales desencadenaron de forma fiable la actividad de neuronas reales y activaron circuitos de manera similar a las señales naturales.

El equipo informa que la captura de diversos patrones de señalización permite que cada neurona artificial codifique más información, lo que podría reducir el número de componentes y mejorar la eficiencia computacional. El proceso de impresión aditiva deposita el material solo donde se necesita, lo que simplifica la fabricación, reduce los costos y minimiza los residuos. Los hallazgos se publicaron el 15 de abril en Nature Nanotechnology y contaron con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias.

"Otros laboratorios han intentado crear neuronas artificiales con materiales orgánicos, pero su respuesta era demasiado lenta. O bien, utilizaron óxidos metálicos, que son demasiado rápidos. Nosotros nos encontramos dentro de un rango temporal que no se había demostrado previamente para neuronas artificiales. Se puede observar cómo las neuronas vivas responden a nuestra neurona artificial. Por lo tanto, hemos demostrado señales que no solo tienen la escala temporal adecuada, sino también la forma de impulso correcta para interactuar directamente con neuronas vivas", afirmó Mark C. Hersam, profesor Walter P. Murphy de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern.

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Universidad Northwestern