BiofísicaNeuronas electrónicasCircuitos“vivos”por Gabriel Stekolschik | gstekol@<strong>de</strong>.fcen.uba.arCada vez más interesados en los asuntos <strong>de</strong> la biología,los físicos intentan compren<strong>de</strong>r los principios básicos querigen el comportamiento <strong>de</strong> los seres vivos para tratar <strong>de</strong>emularlos <strong>de</strong> manera artificial. En el Laboratorio <strong>de</strong> SistemasDinámicos <strong>de</strong> la <strong>Facultad</strong> <strong>de</strong> <strong>Ciencias</strong> <strong>Exactas</strong> y Naturales<strong>de</strong> la UBA diseñan circuitos electrónicos que imitan a lasneuronas biológicas.La percepción <strong>de</strong> un aroma, la or<strong>de</strong>n paramover un brazo o una pierna, el dolor...Sensaciones y movimientos. Se trata <strong>de</strong>fenómenos aparentemente dispares, y sinembargo tienen algo en común: se transmitena través <strong>de</strong> las neuronas medianteimpulsos eléctricos. Se podría pensarentonces al sistema nervioso como unagran red eléctrica y, en ese caso, tambiénpodría pensarse en reemplazar neuronasdañadas mediante circuitos electrónicos.Una fantasía todavía muy lejana, peropara nada improbable.El paulatino avance en el conocimientoneurológico y el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> nuevastecnologías electrónicas e informáticashan permitido progresos significativosen el campo <strong>de</strong> las llamadas neuroprótesis.De hecho, hoy existen dispositivosexperimentales que, más tempranoo más tar<strong>de</strong>, posibilitarán que laspersonas sordas puedan oír, o que losindividuos ciegos puedan reconocerimágenes. También, buscando solucionarla pérdida <strong>de</strong> capacida<strong>de</strong>s motorasen pacientes que sufrieron lesiones enla médula espinal, se han diseñado prótesisneurales que, mediante microelectrodosimplantados en la corteza cerebral,registran las señales <strong>de</strong>l cerebro ylas “traducen” en estímulos que pue<strong>de</strong>ncontraer músculos o mover brazos robotizados.Pero, por la naturaleza <strong>de</strong> su diseño, todosestos aparatos están pensados para reemplazarlas funciones <strong>de</strong> órganos o miembroscompletos, y no toman en cuenta laposibilidad <strong>de</strong> solucionar problemas ocasionadospor la pérdida acotada <strong>de</strong> célulasnerviosas, como ocurre en algunas enfermeda<strong>de</strong>sneuro<strong>de</strong>generativas –por ejemploel Parkinson- o, también, luego <strong>de</strong> unacci<strong>de</strong>nte cerebro-vascular.Durante la última década, algunas inves-36
tigaciones han conducido al <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong>circuitos electrónicos que imitan la función<strong>de</strong> una neurona. Ahora, los científicosapuntan a interconectar esos circuitos conel fin <strong>de</strong> reemplazar grupos <strong>de</strong> neuronas.Y no se <strong>de</strong>scarta la posibilidad <strong>de</strong> sustituirun sistema nervioso completo.Sistema eléctricoFueron millones <strong>de</strong> años <strong>de</strong> evolución losque <strong>de</strong>bió transitar la vida para refinarun sistema que le permitiera transmitirmensajes instantáneos <strong>de</strong> una parte aotra <strong>de</strong> un organismo. Y la solución quefinalmente encontró fue el impulso eléctrico.“Las neuronas se expresan mediantela actividad eléctrica, y uno pue<strong>de</strong> imitarsatisfactoriamente una función neuronalporque el paradigma fundamental <strong>de</strong> laneurobiología está en gran parte <strong>de</strong>positadoen la electrónica”, señala Lidia Szczupak,doctora en biología e investigadora<strong>de</strong>l Conicet en el Laboratorio <strong>de</strong> Fisiologíay Biología Molecular y Celular <strong>de</strong> la<strong>Facultad</strong> <strong>de</strong> <strong>Ciencias</strong> <strong>Exactas</strong> y Naturales(FCEyN) <strong>de</strong> la UBA.En ese paradigma, podría imaginarse alas neuronas como cables <strong>de</strong> un sistemaeléctrico <strong>de</strong> múltiples interconexiones,en don<strong>de</strong> el voltaje <strong>de</strong> la red es muy bajo(<strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> los milivoltios). En ese sistema,existe una infinidad <strong>de</strong> “botones”que, cuando son accionados, encien<strong>de</strong>nun <strong>de</strong>terminado circuito. Por ejemplo,un pinchazo en un <strong>de</strong>do acciona la “tecla”que encien<strong>de</strong> un circuito <strong>de</strong>l dolor,un estímulo luminoso en la retina activael circuito <strong>de</strong> la visión, y una “or<strong>de</strong>nquímica” en el cerebro encien<strong>de</strong> la víamotora responsable <strong>de</strong> un movimiento<strong>de</strong>terminado.¿Y cómo se transmite ese estímulo a través<strong>de</strong> la red? Cuando un circuito “se encien<strong>de</strong>”por una señal externa (el pinchazo,por ejemplo), se produce un cambio enla disposición <strong>de</strong> las cargas eléctricas quehay a un lado y otro <strong>de</strong> la membrana <strong>de</strong>la célula nerviosa que recibe el estímulo.En apenas milisegundos, ese hecho modificael voltaje <strong>de</strong> la membrana <strong>de</strong> esaneurona haciéndolo crecer en unos pocosmilivoltios. Si ese voltaje supera un ciertoumbral se dispara entonces lo que se <strong>de</strong>nominapotencial <strong>de</strong> acción, que consisteen la transmisión <strong>de</strong> ese cambio eléctrico auna o más neuronas vecinas, las que, <strong>de</strong> lamisma manera, transmitirán ese impulso aotras células contiguas, y así sucesivamentehasta completar el circuito. En <strong>de</strong>finitiva,mediante este mecanismo, las neuronas secomunican y el organismo consigue transmitirun mensaje <strong>de</strong> manera prácticamenteinstantánea y sin que la señal pierda suscaracterísticas originales: “El potencial<strong>de</strong> acción es la unidad <strong>de</strong> información<strong>de</strong> toda neurona y es un fenómeno queasegura que en un cable largo, como es elcaso <strong>de</strong> las prolongaciones neuronales, nose pierda algo <strong>de</strong> la señal en el espacio”,ilustra Szczupak.Pero la complejidad <strong>de</strong> un sistema que requiriómillones <strong>de</strong> años <strong>de</strong> prueba y errorno pue<strong>de</strong> ser imitada fácilmente. De hecho,los científicos no se proponen construiralgo idéntico a lo que generó la naturaleza,sino, más bien, interpretar el mecanismo ytomar <strong>de</strong> él los principios básicos que posibilitansu funcionamiento.Preguntarle a la biologíaDes<strong>de</strong> un punto <strong>de</strong> vista electrónico, unaneurona se pue<strong>de</strong> representar con un circuitoeléctrico relativamente simple. Perosi se quiere emular su comportamiento, latarea se vuelve un poco más complicada,porque la célula nerviosa tiene una conducta“no lineal”, es <strong>de</strong>cir, no respon<strong>de</strong>a un estímulo <strong>de</strong> manera proporcional ala intensidad <strong>de</strong> la señal. Más bien, hacefalta que la señal crezca lo suficiente enintensidad como para alcanzar el umbralque permite que se dispare el potencial <strong>de</strong>acción. Con este mecanismo, la naturalezaconsigue que el sistema <strong>de</strong> transmisión<strong>de</strong> la información sea <strong>de</strong> “todo o nada”,en el que sólo hay dos respuestas posibles:que el impulso se transmita, o que no setransmita.“Una neurona electrónica es un circuitoque representa la dinámica no lineal <strong>de</strong>una neurona biológica”, explica el médicoJacobo Sitt, investigador <strong>de</strong>l Laboratorio<strong>de</strong> Sistemas Dinámicos <strong>de</strong>l Departamento<strong>de</strong> Física <strong>de</strong> la FCEyN.Como muchos otros comportamientos,la conducta “no lineal” <strong>de</strong> una célula nerviosapue<strong>de</strong> ser representada medianteecuaciones, las que a su vez pue<strong>de</strong>n serresueltas por medio <strong>de</strong> una computadora.De esta manera, un circuito eléctrico conectadoa un procesador <strong>de</strong> datos pue<strong>de</strong>imitar el proceso <strong>de</strong> toma <strong>de</strong> <strong>de</strong>cisiones<strong>de</strong> una neurona biológica, es <strong>de</strong>cir, <strong>de</strong> generacióno transmisión <strong>de</strong>l potencial <strong>de</strong>acción. Esto es, en esencia, una neuronaelectrónica.Pero, lógicamente, el diseño no es todo.Resta conectar el dispositivo -mediantemicroelectrodos- a una o más células nerviosaspara verificar que funciona. “Paraconfirmar que el sistema es válido hayque preguntarle a la biología, es <strong>de</strong>cir, hayque hacerlo interactuar con las neuronasbiológicas y comprobar que funciona entiempo real, en los tiempos que manejala biología”, ilustra Sitt. El problema esque el conjunto <strong>de</strong> ecuaciones que <strong>de</strong>beresolverse es bastante complejo, y aún lascomputadoras más nuevas no son lo suficientementerápidas como para po<strong>de</strong>rinteractuar en tiempo real con las célulasnerviosas. “No es que el sistema sea máslento, sino que tiene que resolver un problemaque las neuronas biológicas no necesitansolucionar. Porque en el mundoreal las ecuaciones se resuelven naturalmente”,indica.Para lograr que la electrónica y la biologíase sincronicen, las investigaciones en elcampo <strong>de</strong> las neuronas electrónicas se valen<strong>de</strong> dispositivos especializados en procesarseñales en tiempo real. Se trata <strong>de</strong> los procesadoresdigitales <strong>de</strong> señales (DSP, por sussiglas en inglés), sistemas presentes en múltiplesaplicaciones <strong>de</strong> la vida diaria, comoteléfonos celulares, reproductores digitales<strong>de</strong> audio, mó<strong>de</strong>ms inalámbricos, cámarasdigitales, entre muchas otras. Un DSP esun sistema que posee un hardware y unsoftware optimizados para efectuar operacionesnuméricas a muy alta velocidad.“De esta manera, po<strong>de</strong>mos diseñar el programaen una computadora, y <strong>de</strong>spués37