Se trata de un hidrogel que demuestra la capacidad de algunos materiales no vivos de usar su ‘memoria’ para adaptarse al ambiente y que podrían ser utilizados para reemplazar tejidos cardiacos en pruebas con animales
Crean microchips ‘vivos’ a partir de células cerebrales humanas capaces de jugar a videojuegos
El cerebro humano tiene un billón de conexiones neuronales que nos permiten realizar 15 quintillones de operaciones por segundo. Una ‘máquina’ prodigiosa que nuestra tecnología lleva décadas intentando imitar a través de sistemas de aprendizaje automático, redes neuronales artificiales o incluso híbridos con células cerebrales vivas engarzadas en equipos informáticos.
Pero, teniendo en cuenta que el pulso nervioso es, en realidad, un pulso eléctrico, ¿puede existir un material que, aplicando las corrientes adecuadas, se convierta en una suerte de ‘cerebro’ artificial? Esa pregunta es la que han abordado científicos de la Universidad de Reading (Reino Unido), quienes han hallado un hidrogel, una suerte de gelatina, que conectado a unos electrodos especiales ha aprendido a jugar al Pong. No solo eso: este material ha conseguido mejorar sus partidas con el tiempo. Las conclusiones acaban de publicarse en la revista ‘Cell Reports Physical Science‘.
Antecedentes de jugadores no humanos
Los investigadores se inspiraron en un estudio anterior publicado en la revista ‘Neuron‘ que mostró que células cerebrales de ratón cultivadas sobre chips de silicio actuaban como un sistema capaz de jugar al Pong, un videojuego clásico y sencillo basado en el tenis de mesa en el que el jugador debe golpear una bola que rebota constantemente, evitando que toque el fondo (recuerda mucho a la pelota de mano o al frontón).
«En el artículo se describen los principios de cómo las neuronas aprenden a jugar el juego a través de conceptos de energía libre y memoria», señala Vicent Strong, doctor de la Universidad de Reading y autor del artículo. El principio de la energía libre es una teoría planteada por el neurocientífico Karl Friston hace algo más de una década que describe el funcionamiento básico del cerebro.
Según la idea de Friston, nuestras células cerebrales tienden a evitar la sorpresa o ‘energía libre’ siempre que pueden. Con ello, mejoran continuamente sus predicciones y pueden dar una respuesta más óptima cada vez. Sin embargo, este teoría fue criticada porque es difícil de demostrar. Los autores del trabajo publicado en ‘Neuron’ señalaron entonces que su experimento era la demostración patente de esta hipótesis.
Extrapolar al hidrogel
En un trabajo previo, el equipo de la Universidad de Reading se dio cuenta de que el hidrogel con el que trabajaban, de policrilamida ionizada -más resisitente al calor y a la electricidad, lo que les permitía interactuar con él a través de los electrodos conectados a su vez con un ordenador-, tenía comportamientos similares de la memoria impulsados por la mecánica de la energía libre. «Así que nos planteamos si se podían lograr resultados similares a los de los cultivos de neuronas cultivadas con el material mucho menos complejo de los hidrogeles«, explica Strong. Es decir, simplificar el sistema, pero consiguiendo un resultado similar.
La clave de este hidrogel se encuentra en que está ionizado: «Contiene iones cargados que flotan libremente y que pueden verse influenciados por un campo eléctrico, lo que hace que migren y arrastren moléculas de agua con ellos, lo que da como resultado cambios de forma dentro del hidrogel -señala el investigador-. Estos hidrogeles se han explorado para robots blandos biomiméticos (dispositivos que imitan las formas de la naturaleza) desde los años 70 y actualmente se utilizan en la industria médica como método para administrar medicamentos».
Pero por sí solo este material no puede enviar señales al ordenador. Por ello, idearon una matriz con múltiples electrodos y construida a medida. Básicamente, el sistema presenta un dispositivo con una forma parecida a una gofrera con electrodos en su interior en la que se inserta el hidrogel -muy similar a una prótesis de silicona, aunque más flexible-. Este equipo está conectado a otro que decodifica las señales y las transmite al ordenador, en el que se puede observar cómo transcurre el juego.
«El principio básico tanto en las neuronas como en los hidrogeles es que la migración y distribución de iones puede funcionar como una función de memoria que puede correlacionarse con los circuitos sensoriomotores en el mundo Pong. En las neuronas, los iones circulan dentro de las células. En el gel, circulan fuera de ellas», explica Yoshikatsu Hayashi, ingeniero biomédico de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad de Reading. Es decir -y de forma simplificada-, la memoria trabaja con iones, los mismos que le aplicamos al hidrogel.
Como la mayoría de los algoritmos de inteligencia artificial existentes se derivan de redes neuronales, los investigadores afirman que los hidrogeles representan un tipo diferente de ‘inteligencia’ que podría utilizarse para desarrollar nuevos algoritmos más simples. La idea es investigar más a fondo esta capacidad de ‘memorizar’ de los hidrogeles y probar su capacidad para realizar otras tareas.
«Nuestra investigación muestra que incluso materiales muy simples pueden exhibir comportamientos complejos y adaptativos típicamente asociados con sistemas vivos o IA sofisticada -indica Hayashi-. Esto abre posibilidades apasionantes para el desarrollo de nuevos tipos de materiales ‘inteligentes’ que puedan aprender y adaptarse a su entorno».
Futuras aplicaciones
No es la primera vez que el equipo de Reading lleva a cabo experimentos con hidrogel. En un estudio reciente publicado en ‘Proceedings of the National Academy of Sciences’, Hayashi, junto con sus colegas de Reading, Zuowei Wang y Nandini Vasudevan, demostraron cómo se puede ‘enseñar’ a un hidrogel -diferente al de este estudio- a latir al ritmo de un marcapasos externo. Se trata de la primera vez que se consigue usando un material inerte, diferente a células vivas.
Los investigadores demostraron cómo un material de hidrogel oscila química y mecánicamente, de forma muy similar a cómo las células del músculo cardíaco se contraen al unísono, y ofrecen una interpretación teórica de estos comportamientos dinámicos. Los investigadores descubrieron que al aplicar compresiones cíclicas al gel, podían sincronizar sus oscilaciones químicas con el ritmo mecánico. El gel conservaba la memoria de este latido incluso después de que se detuviera el marcapasos mecánico.
«Este es un paso importante hacia el desarrollo de un modelo de músculo cardíaco que algún día podría utilizarse para estudiar la interacción de las señales mecánicas y químicas en el corazón humano -señala Hayashi-. Abre posibilidades apasionantes para reemplazar algunos experimentos con animales en la investigación cardíaca con estos modelos de gel activados químicamente». En concreto, este material se podría utilizar para investigar la arritmia cardíaca, una condición en la que el corazón late demasiado rápido, demasiado lento o de manera irregular.
El equipo de investigación cree que sus hallazgos podrían tener implicaciones de gran alcance en campos que van desde la robótica blanda y las prótesis hasta la detección ambiental y los materiales capaces de adaptarse a ciertas circunstancias por sí mismos. En el futuro la idea es centrarse en el desarrollo de comportamientos más complejos y la exploración de posibles aplicaciones en el mundo real, incluido el desarrollo de modelos de laboratorio alternativos para avanzar en la investigación cardíaca y reducir el uso de animales en estudios médicos.
