15/Ago/08

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Ahora robots con cerebros de rata

Después de abotonarse la bata de laboratorio, ponerse los guantes quirúrgicos y rociarlos con alcohol, se puede considerar higiénicamente preparado para ver de cerca el sistema de control de un robot. Sin esas precauciones, cualquier espora de hongo sobre la piel podrían contagiarlo. "Ya nos ha ocurrido. Simplemente dejan de funcionar y se mueren", dice Mark Hammond, el creador del sistema

Este sistema de control de robot no es común, un simple y conocido microchip conectado a un tablero de circuitos. En cambio, el controlador contiene en su interior un pequeño pote que contiene un caldo rosado de nutrientes y antibióticos. Dentro de ese pote, unas 300.000 neuronas de rata han hecho, y continúan haciéndolo, conexiones entre sí.

Mientras lo hacen, las neuronas sin cuerpo se comunican mediante señales eléctricas enviadas de unas a otras exactamente como lo hacen en una criatura viva. Se sabe porque la red de neuronas está conectada en la base del pote a 80 electrodos, y los voltajes provocados por las neuronas se muestran sobre la pantalla de una computadora.

Son estos patrones eléctricos espontáneos los que los investigadores de la Universidad de Reading en el Reino Unido quieren aprovechar para controlar un robot. Si pueden hacerlo de manera confiable, mediante la estimulación de las neuronas con señales desde sensores sobre el robot y usando la respuesta de las neuronas para conseguir que los robots respondan, esperan obtener conocimientos sobre cómo funcionan los cerebros. Esos conocimientos podrían ayudar en el tratamiento de enfermedades como la de Alzheimer, la de Parkinson y la epilepsia.

"Estamos tratando de comprender qué está ocurriendo dentro de este material de cerebro que pueda tener implicancias directas para la salud humana", dice Kevin Warwick, director de cibernética en Reading, que está dirigiendo el proyecto con Hammond y Ben Whalley, ambos neurocientíficos.

El equipo no es el único sobre esta meta. En una conferencia en julio sobre la tecnología de grabación in-vitro en Reutlingen, Alemania, varios equipos de todas partes del mundo presentaron proyectos sobre cultivos de material cerebral y su colocación en simulaciones y robots, o "animats" como son conocidos.

Para crear el "cerebro", la corteza nerviosa de un feto de rata es retirada quirúrgicamente y se aplican enzimas para desconectar las neuronas entre sí. Entonces los investigadores depositan una delgada capa de estas neuronas aisladas en un medio rico en nutrientes sobre un banco de electrodos, dónde empiezan a reconectarse. Lo hacen creando unas proyecciones que se extienden hasta tocar las neuronas cercanas. "Es fascinante que lo hagan", dice Steve Potter del Georgia Institute of Technology en Atlanta, quien promovió el campo de animats controlados neurológicamente. "Es evidente que las neuronas han evolucionado para reconectarse bajo casi cualquier circunstancia que no las mate".

Después de unos cinco días, los patrones de actividad eléctrica pueden ser detectados cuando las neuronas transmiten señales en lo que se ha convertido en una malla muy densa de axones y dendritas. Las neuronas parecen estar transmitiendo al azar, produciendo pulsos de voltaje conocidos como potenciales de acción. A menudo, sin embargo, varias o todas ellas transmitirán al unísono, un fenómeno conocido como "estallido".

Hay varias opiniones sobre qué son estos estallidos. Algunos los ven como actividad patológica, semejante a lo que ocurre en la epilepsia, mientras los otros los ven como la expresión de la red nerviosa de un recuerdo guardado. "Yo los interpreto como un comportamiento de tipo apopléjico", dice Potter. "Creo que el estallido es una función de privación sensorial".

Como una criatura sin miembros ni sentidos, el cerebro recortado está simplemente mostrando su aburrimiento, dice Whalley. "Sin un aporte sensorial estructurado, la hipótesis es que se obtienen actividades arbitrariamente aleatorias y muy a menudo perjudiciales porque todas estas células piden alguna clase de dirección".

Para poner a prueba esta idea, el equipo de Potter "roció" pulsos eléctricos a través de varios contactos sobre el conjunto de multi-electrodos (MEA), para simular estímulos sensoriales, y logró reprimir significativamente la actividad de estallidos. "Parece que un estímulo sensorial está fijando el nivel básico de actividad dentro del cerebro", dice Potter.

Estos resultados han animado a los investigadores a empezar a investigar la patología de enfermedades con robots controlados por cultivos corticales. Si pueden lograr que un robot haga algo repetidamente al enviarle una señal al cultivo, y luego alterar el cerebro químicamente, con electricidad o físicamente, para desquiciar esta posibilidad de control, esperan poder averiguar algunas causas y efectos que arrojen luz sobre enfermedades como la de Alzheimer.

Para hacerlo, los colegas de Whalley, Dimitris Xydas y Julia Downes, empezaron por conectar un cultivo a un sensor de ultrasonido en un robot con ruedas. Entonces registran los picos de voltaje que se producen en unos puntos dentro del cultivo cuando las señales del sensor son enviadas hacia él. Cuando encuentran una área que dispara en coincidencia con el estímulo del sensor, esas señales pueden ser recogidas por un electrodo y usadas, por ejemplo, para hacer que el robot evite un obstáculo. Por ejemplo, si el sensor de ultrasonido indica "pared adelante" con una señal de 1 voltio, y cierto nudo de neuronas en el cultivo siempre genera un potencial de acción de 100 microvoltio cuando eso ocurre, esa última señal puede ser usada para que el robot gire a derecha o izquierda para evitar la pared.

Para hacerlo, por supuesto, necesitan conectar su cultivo cerebral al robot. Porque es el material vivo, necesita ser mantenido a una temperatura corporal, así que el sistema de control de modo que el sistema de control es colocado en un gabinete de temperatura controlada del tamaño de un horno de microondas y se comunica con el robot por medio de un enlace de radio Bluetooth.

El robot entonces zumba alrededor de un corral de madera, y logra evitar las paredes en un 80% de las ocasiones. Ahora los investigadores planean trazar las conexiones nerviosas antes y después de esos viajes tan prolongados para ver si las conexiones se están fortaleciendo, dice Downes.

En Georgia Tech, Potter ha logrado resultados similares, y su robot móvil ha evitado los obstáculos el 90% del tiempo. Espera que la investigación ayude a los médicos a encontrar maneras de re-educar o saltar circuitos nerviosos que funcionan mal en personas con epilepsia, y también está empezando a trabajar sobre el mal de Alzheimer.

El primer paso hacia eso, sin embargo, es encontrar una manera de entrenar a las neuronas en un estado más permanente de reacción a los estímulos del sensor en el momento correcto. En un trabajo a ser publicado en la Journal of Neural Engineering, Potter describe un novedoso sistema de entrenamiento para estos mini cerebros.

Él ha encontrado que una secuencia de pulsos eléctricos aplicada a seis electrodos en un MEA actúa como una especie de "interruptor modal" para el cultivo, que cambia su comportamiento, por ejemplo, de dirigir un robot en línea recta a maniobrar para evitar un obstáculo. Pero porque todos los cultivos son diferentes, no sabe qué secuencias de pulsos tendrán mejor efecto en cada uno de ellos. De modo que al azar genera 100 secuencias diferentes, llamadas patrón de estímulos de entrenamiento, para cada cultivo y permite que una computadora averigüe cuál produce las mejores conexiones nerviosas para que un robot virtual se mueva en una dirección deseada.

"Una secuencia de pulsos eléctricos puede hacer que el cultivo cerebral cambie el comportamiento del robot. Después de que los estímulos seleccionados han sido aplicados varias veces, ciertos comportamientos quedan arraigados en el cultivo durante algunas horas. En otras palabras, se enseñó al cultivo qué hacer. "Es como entrenar a un animal a hacer algo por incrementos graduales", dice Potter.

El equipo de Reading ahora está planeando estudiar si partes del cultivo en particular, más que todo él, pueden ser más útiles para llevar a cabo ciertas tareas. También planean estudiar si el cultivo debería ser incorporado en un robot antes. Por el momento, esperan de tres a cinco semanas hasta que un cultivo está maduro antes de aplicar cualquier estímulo sensorial. Esto podría ser igual a intentar que un cultivo "loco", privado de sensaciones, aprenda, dice Whalley.

Este trabajo contribuirá a nuestro conocimiento de cómo trabajan los cerebros, pero su potencial no debería ser exagerado, dice Potter. "Este sistema es un modelo. Todo lo que hace es simplemente similar a lo que ocurre en un cerebro, no es realmente lo mismo. Podemos aprender sobre el cerebro, pero puede engañarnos".

Warwick está de acuerdo con el concepto, pero cree que será útil. "Si esta clase de trabajo puede lograr una diferencia del 1% en la vida de un paciente de Alzheimer valdrá la pena", dice.

Fuente: New Scientist. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard