Cómo las neuronas artificiales impresas se comunican con las células cerebrales reales

La brecha entre la electrónica y la biología

Durante décadas, uno de los problemas de ingeniería más difíciles de la neurociencia ha sido construir electrónica que hable el lenguaje del cerebro. Los chips de silicio convencionales operan con señales de voltaje constantes, pero las neuronas biológicas se comunican a través de picos eléctricos rápidos e irregulares. Superar esta disparidad es esencial para las neuroprótesis: dispositivos que restauran la audición, la visión o el movimiento perdidos conectándose directamente al sistema nervioso. Una nueva generación de neuronas artificiales impresas está cerrando la brecha.

¿Qué son las neuronas artificiales?

Una neurona artificial es un dispositivo electrónico diseñado para imitar el comportamiento de descarga de una célula nerviosa real. En biología, una neurona acumula carga eléctrica hasta que cruza un umbral, luego dispara un breve pico y se reinicia, un patrón llamado integrar y disparar. Las neuronas artificiales replican este ciclo utilizando elementos de circuito especializados en lugar de canales iónicos y membranas celulares.

El componente crítico en los últimos dispositivos es un memristor, una resistencia con memoria. Cuando se aplica voltaje, se forma un diminuto filamento conductor dentro del material, lo que permite que la corriente fluya en una ráfaga repentina que se asemeja mucho a un pico biológico. Una vez que el filamento se rompe, el dispositivo se reinicia y el ciclo puede comenzar de nuevo. Al ajustar los materiales y la geometría, los investigadores pueden ajustar la frecuencia, la amplitud y el tiempo de los picos para que coincidan con los patrones que esperan las neuronas reales.

Imprimiendo neuronas como tinta sobre papel

Investigadores de la Universidad Northwestern, dirigidos por el científico de materiales Mark Hersam, demostraron en un estudio publicado en Nature Nanotechnology que las neuronas artificiales se pueden fabricar con un enfoque más cercano a una impresora de inyección de tinta que a una fábrica de semiconductores. El equipo formuló tintas electrónicas a partir de escamas a nanoescala de disulfuro de molibdeno (MoS₂), un semiconductor, y grafeno, un conductor eléctrico.

Utilizando la impresión por aerosol jet, las tintas se depositan sobre películas de polímero delgadas y flexibles. Una innovación clave implica la descomposición parcial del estabilizador de polímero en la tinta en lugar de eliminarlo por completo. Cuando la corriente fluye a través del dispositivo, se produce una mayor descomposición de manera desigual, creando los filamentos conductores esenciales para el comportamiento de descarga. Los circuitos resultantes pueden disparar a frecuencias ajustables de hasta 20 kHz y permanecer estables durante más de un millón de ciclos.

Comunicándose con tejido vivo

El verdadero avance es lo que sucede cuando estas neuronas impresas se encuentran con las biológicas. En experimentos con cortes de tejido cerebral de ratón, las neuronas artificiales generaron picos eléctricos lo suficientemente realistas como para activar neuronas vivas, lo que provocó respuestas medibles en células cerebrales reales. Ese nivel de biocompatibilidad es un requisito previo para cualquier dispositivo destinado a la implantación.

Las interfaces cerebro-máquina tradicionales se basan en matrices de microelectrodos rígidos: pequeñas rejillas de contactos metálicos implantadas en el cráneo. Funcionan, pero los materiales rígidos pueden dañar el tejido cerebral blando con el tiempo, causando cicatrices que degradan la señal. Las neuronas impresas en sustratos flexibles podrían adaptarse a la superficie del cerebro, reduciendo el daño tisular y extendiendo la vida útil del dispositivo.

Por qué es importante para las neuroprótesis

Las interfaces cerebro-máquina ya permiten hazañas notables. Los ensayos clínicos han demostrado que las matrices implantadas pueden decodificar la escritura a mano, el habla y las intenciones motoras complejas a partir de la actividad cortical, lo que permite a los pacientes paralizados escribir, hablar a través de un sintetizador o controlar un brazo robótico. Pero los dispositivos actuales son caros de fabricar, rígidos y requieren cirugía invasiva.

Las neuronas artificiales impresas abordan varias de estas limitaciones simultáneamente:

• Costo: La impresión es aditiva, el material va solo donde es necesario, lo que reduce el desperdicio de fabricación y los gastos en comparación con la litografía de sala limpia.
• Flexibilidad: Los sustratos de polímero se doblan con el cuerpo, lo que reduce el desajuste mecánico que causa la cicatrización del tejido.
• Escalabilidad: El mismo proceso de impresión podría producir dispositivos en grandes lotes, lo que haría que las neuroprótesis fueran más accesibles.

Desafíos por delante

Las neuronas impresas que funcionan en cortes de cerebro en un laboratorio aún no están listas para la implantación humana. La biocompatibilidad a largo plazo, la entrega de energía inalámbrica y la integración con las defensas inmunitarias del cuerpo siguen siendo problemas de ingeniería abiertos. La aprobación regulatoria para cualquier dispositivo neuronal implantado también requiere años de pruebas de seguridad.

Aún así, la capacidad de imprimir electrónica flexible y de bajo costo que se comunica genuinamente con las neuronas biológicas marca un hito significativo. Como señalan los investigadores de Northwestern, acerca el campo a un futuro en el que la reparación de un sistema nervioso dañado podría comenzar con un dispositivo construido en una impresora de escritorio.