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BiofísicaNeuronas electrónicasCircuitos“vivos”por Gabriel Stekolschik | gstekol@de.fcen.uba.arCada vez más interesados en los asuntos de la biología,los físicos intentan comprender los principios básicos querigen el comportamiento de los seres vivos para tratar deemularlos de manera artificial. En el Laboratorio de SistemasDinámicos de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturalesde la UBA diseñan circuitos electrónicos que imitan a lasneuronas biológicas.La percepción de un aroma, la orden paramover un brazo o una pierna, el dolor...Sensaciones y movimientos. Se trata defenómenos aparentemente dispares, y sinembargo tienen algo en común: se transmitena través de 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 desarrollo de nuevastecnologías electrónicas e informáticashan permitido progresos significativosen el campo de las llamadas neuroprótesis.De hecho, hoy existen dispositivosexperimentales que, más tempranoo más tarde, posibilitarán que laspersonas sordas puedan oír, o que losindividuos ciegos puedan reconocerimágenes. También, buscando solucionarla pérdida de capacidades motorasen pacientes que sufrieron lesiones enla médula espinal, se han diseñado prótesisneurales que, mediante microelectrodosimplantados en la corteza cerebral,registran las señales del cerebro ylas “traducen” en estímulos que puedencontraer músculos o mover brazos robotizados.Pero, por la naturaleza de su diseño, todosestos aparatos están pensados para reemplazarlas funciones de órganos o miembroscompletos, y no toman en cuenta laposibilidad de solucionar problemas ocasionadospor la pérdida acotada de célulasnerviosas, como ocurre en algunas enfermedadesneurodegenerativas –por ejemploel Parkinson- o, también, luego de unaccidente cerebro-vascular.Durante la última década, algunas inves-36
tigaciones han conducido al desarrollo decircuitos electrónicos que imitan la funciónde una neurona. Ahora, los científicosapuntan a interconectar esos circuitos conel fin de reemplazar grupos de neuronas.Y no se descarta la posibilidad de sustituirun sistema nervioso completo.Sistema eléctricoFueron millones de años de evolución losque debió transitar la vida para refinarun sistema que le permitiera transmitirmensajes instantáneos de una parte aotra de un organismo. Y la solución quefinalmente encontró fue el impulso eléctrico.“Las neuronas se expresan mediantela actividad eléctrica, y uno puede imitarsatisfactoriamente una función neuronalporque el paradigma fundamental de laneurobiología está en gran parte depositadoen la electrónica”, señala Lidia Szczupak,doctora en biología e investigadoradel Conicet en el Laboratorio de Fisiologíay Biología Molecular y Celular de laFacultad de Ciencias Exactas y Naturales(FCEyN) de la UBA.En ese paradigma, podría imaginarse alas neuronas como cables de un sistemaeléctrico de múltiples interconexiones,en donde el voltaje de la red es muy bajo(del orden de los milivoltios). En ese sistema,existe una infinidad de “botones”que, cuando son accionados, enciendenun determinado circuito. Por ejemplo,un pinchazo en un dedo acciona la “tecla”que enciende un circuito del dolor,un estímulo luminoso en la retina activael circuito de la visión, y una “ordenquímica” en el cerebro enciende la víamotora responsable de un movimientodeterminado.¿Y cómo se transmite ese estímulo a travésde la red? Cuando un circuito “se enciende”por una señal externa (el pinchazo,por ejemplo), se produce un cambio enla disposición de las cargas eléctricas quehay a un lado y otro de la membrana dela célula nerviosa que recibe el estímulo.En apenas milisegundos, ese hecho modificael voltaje de la membrana de esaneurona haciéndolo crecer en unos pocosmilivoltios. Si ese voltaje supera un ciertoumbral se dispara entonces lo que se denominapotencial de acción, que consisteen la transmisión de ese cambio eléctrico auna o más neuronas vecinas, las que, de lamisma manera, transmitirán ese impulso aotras células contiguas, y así sucesivamentehasta completar el circuito. En definitiva,mediante este mecanismo, las neuronas secomunican y el organismo consigue transmitirun mensaje de manera prácticamenteinstantánea y sin que la señal pierda suscaracterísticas originales: “El potencialde acción es la unidad de informaciónde toda neurona y es un fenómeno queasegura que en un cable largo, como es elcaso de las prolongaciones neuronales, nose pierda algo de la señal en el espacio”,ilustra Szczupak.Pero la complejidad de un sistema que requiriómillones de años de prueba y errorno puede 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 de él los principios básicos que posibilitansu funcionamiento.Preguntarle a la biologíaDesde un punto de vista electrónico, unaneurona se puede 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 decir, no respondea un estímulo de manera proporcional ala intensidad de la señal. Más bien, hacefalta que la señal crezca lo suficiente enintensidad como para alcanzar el umbralque permite que se dispare el potencial deacción. Con este mecanismo, la naturalezaconsigue que el sistema de transmisiónde la información sea de “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 deuna neurona biológica”, explica el médicoJacobo Sitt, investigador del Laboratoriode Sistemas Dinámicos del Departamentode Física de la FCEyN.Como muchos otros comportamientos,la conducta “no lineal” de una célula nerviosapuede ser representada medianteecuaciones, las que a su vez pueden serresueltas por medio de una computadora.De esta manera, un circuito eléctrico conectadoa un procesador de datos puedeimitar el proceso de toma de decisionesde una neurona biológica, es decir, de generacióno transmisión del potencial deacción. 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 decir, 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 de ecuaciones que deberesolverse es bastante complejo, y aún lascomputadoras más nuevas no son lo suficientementerápidas como para poderinteractuar 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 de las neuronas electrónicas se valende dispositivos especializados en procesarseñales en tiempo real. Se trata de los procesadoresdigitales de señales (DSP, por sussiglas en inglés), sistemas presentes en múltiplesaplicaciones de la vida diaria, comoteléfonos celulares, reproductores digitalesde audio, módems 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, podemos diseñar el programaen una computadora, y después37
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