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09 Diciembre 2019

Neuronas artificiales, nuevo paradigma terapéutico

Microdispositivos podrían ser implantados en pacientes reparando conexiones interrumpidas en el cerebro, abriendo enormes perspectivas para abordar patologías crónicas, como la insuficiencia cardíaca y alzhéimer.

Las neuronas son un tipo de células del sistema nervioso, altamente especializadas para cumplir un papel clave: controlar las funciones voluntarias e involuntarias del organismo. Se caracterizan por la excitabilidad eléctrica de su membrana plasmática y su capacidad para comunicarse con gran precisión y velocidad mediante impulsos nerviosos con otras células, de su mismo tipo o bien musculares o glandulares.

Estos impulsos, partiendo de los extremos de las dentritas, hacia el núcleo (el cual contiene el material genético en forma de cromosomas) y luego rumbo al axón, se transmiten a través de la sinapsis, un complejo mecanismo de vinculación eléctrica entre neuronas o con alguna otra célula, cuya finalidad es generar una reacción organizada frente a estímulos internos o externos.

Su presencia en el sistema nervioso se estima en cien mil millones, ya sean motoras (transportan información fuera del sistema nervioso central hacia los músculos o las glándulas), sensitivas (conectan al cerebro con el exterior) o interneuronas (generalmente localizadas en áreas integradoras del sistema nervioso central, estableciendo puentes entre las motoras y sensoriales).

Durante los últimos años se ha debatido sobre la capacidad de regeneración neuronal. Por décadas se pensó que el ser humano nace con un número finito de neuronas, las que se van degradando y jamás son sustituidas, desencadenando la aparición de enfermedades neurodegenerativas. Sin embargo, a partir de 2018 se han publicado estudios que aseguran que este proceso sí se realiza en otras edades y momentos del ciclo vital, no solo durante la etapa embrionaria. Es lo que se conoce como neurogénesis adulta, mecanismo genético que incluso podría estimularse mediante algunas prácticas relacionadas con los hábitos y rutinas, como el ejercicio y dieta.

Uno de ellos fue encabezado por María Llorens-Martín, investigadora de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en el cual se señala que el cerebro continúa formado neuronas, al menos, hasta los 90 años. El trabajo se publicó en Nature Medicine (DOI: 10.1038 / s41591-019-0375-9) y en él científicos españoles demuestran que el proceso de generación de nuevas neuronas tiene lugar a lo largo de toda la vida adulta en una región denominada giro dentado, lo que denominaron neurogénesis hipocampal adulta. “El nacimiento de neuronas en el cerebro humano adulto posee una enorme importancia para la medicina moderna, ya que estas participan en la adquisición de nuevos recuerdos y en el aprendizaje. Esto puede ser muy valioso para el estudio, y posterior tratamiento, de algunas enfermedades neurodegenerativas, como la enfermedad de Alzheimer”. Sin embargo, otros trabajos han cuestionado el grado de neurogénesis del adulto, planteando que esta desciende drásticamente durante el primer año de vida: Nature (DOI: 10.1038 / nature25975).

Más allá de esta controversia, investigadores de las universidades de Bath y Bristol (Gran Bretaña), Zurich (Suiza) y Auckland (Australia), hicieron un anuncio que bien podría revolucionar la neurología. Se trata de la fabricación de las primeras neuronas de laboratorio, avance que ampliaría las alternativas terapéuticas para abordar patologías crónicas, como la insuficiencia cardíaca y alzhéimer.

En el estudio, publicado en Nature Communications (DOI: 10.1038 / s41467-019-13177-3), los autores explican que las neuronas artificiales no solo se comportan como las biológicas, sino que necesitan apenas una billonésima parte -140 nanovatios- de la potencia de un microprocesador, lo que las hace ideales para su uso en implantes médicos y otros dispositivos bioelectrónicos para tratar enfermedades crónicas.

“El diseño de neuronas artificiales que responden a las señales eléctricas del sistema nervioso como si fueran neuronas reales ha sido un objetivo importante desde hace décadas, ya que abre la posibilidad de curar las enfermedades en las que las neuronas no funcionan correctamente”, sostuvo Alain Nogaret, académico de la Universidad de Bath y director de un proyecto calificado como complejo, ya que las respuestas neuronales son muy difíciles de predecir al no ser lineales.

“Si una señal se vuelve dos veces más fuerte, no necesariamente provocará una reacción proporcional, podría ser tres veces más grande u otra cosa”. Un obstáculo que sortearon con éxito con un modelo animal que les permitió llevar a cabo ecuaciones para entender la forma en que las neuronas responden a los estímulos eléctricos de otros nervios. Posteriormente, elaboraron chips de silicio que replicaron con precisión no solo los canales de iones biológicos, sino que también las respuestas de las neuronas “reales” a una variedad de estímulos.

“Las neuronas artificiales podrían reparar biocircuitos dañados al replicar su función saludable y responder adecuadamente a la retroalimentación biológica para restaurar la función corporal. En la insuficiencia cardíaca, por ejemplo, las neuronas en la base del cerebro no responden adecuadamente a la retroalimentación del sistema nervioso, y no envían las señales correctas al corazón, por lo que no bombea como debería. Estamos desarrollando marcapasos inteligentes que no solo estimularán al órgano a bombear a un ritmo constante, sino que usarán estas neuronas para responder en tiempo real a las demandas que se le imponen al corazón, que es lo que ocurre naturalmente en un corazón sano”, detalla.

Para Giacomo Indiveri, coautor del estudio y profesor de la Universidad de Zurich, “este trabajo abre nuevos horizontes para el diseño de chips neuromórficos, debido a su enfoque único para identificar parámetros cruciales de circuitos analógicos”.

Gracias a este salto tecnológico, se pueden precisar con exactitud los parámetros que controlan el comportamiento de cualquier neurona, a través de un hardware. “Otro avance importante lo constituye la versatilidad de nuestro modelo, ya que permite la inclusión de diferentes tipos y funciones de una variedad de neuronas complejas de mamíferos”, finaliza Nogaret.

Por Óscar Ferrari Gutiérrez

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