Crean neuronas artificiales que imitan las características y las funciones de las biológicas

Investigadores de la Universidad de Linköping (LiU), en Suecia, han creado una neurona orgánica artificial que imita fielmente las características de las células nerviosas biológicas y puede estimular nervios naturales, lo que la convierte en una tecnología prometedora para diversos tratamientos médicos en el futuro, según publican los investigadores en la revista ‘Nature Materials’.

Los trabajos para desarrollar células nerviosas artificiales cada vez más funcionales continúan en el Laboratorio de Electrónica Orgánica (LOE), donde en 2022 un equipo de científicos dirigido por el profesor asociado Simone Fabiano demostró cómo una neurona orgánica artificial podía integrarse en una planta carnívora viva para controlar la apertura y cierre de sus fauces. Esta neurona sintética cumplía 2 de las 20 características que la diferencian de una neurona biológica.

En su último estudio los mismos investigadores de LiU han desarrollado una nueva célula nerviosa artificial denominada «neurona electroquímica orgánica basada en la conductancia» o c-OECN, que imita fielmente 15 de los 20 rasgos neuronales que caracterizan a las células nerviosas biológicas, lo que hace que su funcionamiento sea mucho más similar al de las células nerviosas naturales.

«Uno de los principales retos a la hora de crear neuronas artificiales que imiten con eficacia las neuronas biológicas reales es la capacidad de incorporar la modulación iónica. Las neuronas artificiales tradicionales hechas de silicio pueden emular muchas características neuronales, pero no pueden comunicarse a través de iones. En cambio, las c-OECN utilizan iones para demostrar varias características clave de las neuronas biológicas reales», afirma Simone Fabiano, investigadora principal del grupo de Nanoelectrónica Orgánica del LOE.

En 2018, este grupo de investigación de la Universidad de Linköping fue uno de los primeros en desarrollar transistores electroquímicos orgánicos basados en polímeros conductores de tipo n, que son materiales que pueden conducir cargas negativas. Esto permitió construir circuitos electroquímicos orgánicos complementarios imprimibles. Desde entonces, el grupo ha trabajado en la optimización de estos transistores para que puedan imprimirse en una imprenta sobre una fina lámina de plástico. Ahora es posible imprimir miles de transistores en un sustrato flexible y utilizarlos para desarrollar células nerviosas artificiales.

En la neurona artificial recién desarrollada, los iones se utilizan para controlar el flujo de corriente electrónica a través de un polímero conductor de tipo n, lo que provoca picos en el voltaje del dispositivo. Este proceso es similar al que se produce en las células nerviosas biológicas. El material exclusivo de la célula nerviosa artificial también permite aumentar y disminuir la corriente en una curva en forma de campana casi perfecta que se asemeja a la activación e inactivación de los canales iónicos de sodio que se encuentran en la biología.

«Varios otros polímeros muestran este comportamiento, pero sólo los polímeros rígidos son resistentes al desorden, lo que permite un funcionamiento estable del dispositivo», afirma Simone Fabiano.

En experimentos realizados en colaboración con el Instituto Karolinska (KI), las nuevas neuronas c-OECN se conectaron al nervio vago de ratones. Los resultados mostraron que la neurona artificial podía estimular los nervios de los ratones, provocando un cambio del 4,5% en su frecuencia cardiaca. El hecho de que la neurona artificial pueda estimular el propio nervio vago podría, a largo plazo, allanar el camino para aplicaciones esenciales en diversas formas de tratamiento médico. En general, los semiconductores orgánicos tienen la ventaja de ser biocompatibles, blandos y maleables, mientras que el nervio vago desempeña un papel clave, por ejemplo, en el sistema inmunitario y el metabolismo del organismo.

El siguiente paso de los investigadores será reducir el consumo de energía de las neuronas artificiales, que sigue siendo muy superior al de las células nerviosas humanas, ya que, según reconocen, queda mucho trabajo por hacer para replicar artificialmente la naturaleza.

«Hay muchas cosas que aún no comprendemos del todo sobre el cerebro humano y las células nerviosas. De hecho, no sabemos cómo la célula nerviosa hace uso de muchas de estas 15 características demostradas. Imitar las células nerviosas puede permitirnos comprender mejor el cerebro y construir circuitos capaces de realizar tareas inteligentes. Tenemos un largo camino por delante, pero este estudio es un buen comienzo», concluye Padinhare Cholakkal Harikesh, postdoctorando y autor principal del artículo científico.