Ciencia hoy

Fotocopiando neuronas

  • La UGR desarrolla un simulador artificial del sistema nervioso que permitirá investigar enfermedades, ensayar nuevos fármacos y perfeccionar los robots inspirados en el cuerpo humano

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Neuron, Génesis y Edlut. Estos tres nombres no tienen en absoluto nada que ver con una trilogía de ciencia ficción. Son simuladores artificiales del sistema nervioso humano, uno de los retos científicos por excelencia del siglo XXI. ¿Es posible 'copiar' las funciones del cerebro o los nervios?

Científicos de la Universidad de Granada están en ello. El departamento de Arquitectura y Tecnología de los Computadores, coordinado por el profesor Eduardo Ros Vidal, ha creado una aplicación informática que permite reproducir cualquier parte del sistema nervioso del cuerpo humano, como la retina, el cerebelo, los centros auditivos o los centros nerviosos.

El avance, explica Ros, permitirá analizar y comprender mejor las funciones de los centros nerviosos, investigar nuevas patologías y enfermedades o ensayar nuevos fármacos, además de perfeccionar los robots y máquinas inspiradas en el cuerpo humano y el sistema nervioso.

Su trabajo ha logrado diseñar microchips que incorporan un sistema neuronal completo, emulando estructuras cerebelares del sistema nervioso humano, que aplicado a un robot, lo dotaría de capacidad para manipular e interactuar con otros objetos y personas.

El simulador granadino, denominado Edlut (Event driven look up table based simulator) está integrado dentro de un proyecto internacional llamado Sensopac, en el que también participan la Agencia Aeroespacial Alemana, Sony, y varias universidades de Edimburgo, Erasmus, Pavia, Lund y Cambridge, que trabajan con el objetivo de generalizar el empleo de robots en nuestra vida diaria.

El cerebelo es la región del sistema nervioso que se encarga de coordinar los receptores sensitivos y del aparato locomotor, es decir, es el responsable de ciertas funciones cognitivas como la atención y el procesamiento del lenguaje, la música y la abstracción de otros estímulos sensoriales. De ahí la enorme importancia de la investigación.

"El objetivo de un simulador es poder construir subsistemas neuronales y estudiar su comportamiento como sistema". Ros subraya que "la funcionalidad de un sistema complejo como el cerebro depende de las características de sus elementos fundamentales -neuronas-, de la conectividad local -red neuronal-, de su capacidad de aprendizaje -adaptación de conexiones interneuronales-, etc. Por lo tanto, son muchos factores". El coordinador de Edlut, además, añade que puesto que el sistema nervioso no ha sido diseñado sino que ha sido "evolucionado para adaptarse a una serie de necesidades", entender cómo funciona es aún más complejo.

El simulador desarrollado por los investigadores de la UGR permite definir modelos de neurona, "que podemos comparar con experimentos con neuronas de verdad en departamentos de neurophisiología". Permite construir redes neuronales y ver qué tipo de redes pueden realizar distintas funciones.

"Hace más de 100 años que Cajal y Golgi describieron subsistemas de neuronas como la retina, el cerebelo, con arquitecturas bien definidas, pero 100 años después el porqué de estas redes de interconexiones sigue siendo un tema de investigación muy activo".

En relación a sus precedentes, Edlut mejora a otros modelos como Neuron o Génesis porque permite simular varios cientos de miles de neuronas a la vez, en lugar de sólo a varias decenas. "Primero realizamos miles o millones de simulaciones de una sola neurona para caracterizar su comportamiento y luego se pasa a definir redes de neuronas. Durante la simulación de una neurona, su comportamiento se va escaneando y almacenando en tablas bien organizadas. Una vez que estas tablas se han construido podemos decir que el comportamiento del modelo de neurona está bien definido".

Las capacidades son infinitas. El grupo granadino se ha centrado en la simulación del cerebelo, "que es un centro nervioso implicado en tareas de control preciso y coordinado de movimientos. Por ello, estas simulaciones nos pueden servir para entender cómo actúan enfermedades que afectan a estas funcionalidades de control". Además, Ros explica que puede servir para entender cómo realizamos el control preciso y poder desarrollar modelos para su utilización en robótica biomórfica, como serían los humanoides o robots asistentes.

Sin embargo, ¿qué clase de obstáculos sigue teniendo este software frente a la naturaleza? ¿podría una máquina sentir nervios? "En nuestro caso no queremos sustituir la naturaleza, sólo aprender de ella. Por ejemplo, estamos estudiando cómo cuando yo manejo un martillo, el concepto de martillo (y las experiencias sensoriales y motoras que tengo cuando lo utilizo) definen el concepto de martillo y su modelo para poder utilizarlo correctamente".

Dice Ros que el estudio de las emociones humanas está siendo estudiado por otros grupos de investigación. "Sería conveniente saber cómo una emoción humana puede hacer que un individuo aprenda más fácilmente una tarea u otra, o cómo influye en su comportamiento. En este tipo de cosas hay implicados tantos centros nerviosos que aún queda mucho camino por recorrer".

Lo que el departamento de Arquitectura y Tecnología de los Computadores investiga puede servir para utilizarlo en robots parecidos a humanos: "El concepto es sencillo. Si tienes que controlar una máquina que se parece a un humano, puedes tratar de copiar su modelo de control (que ha sido evolucionado durante millones de años). Esto se llama ingeniería neuromórfica".

Los centros nerviosos siguen guardándose secretos. "Los niños comienzan a usar el cerebelo (de forma más intensa) a partir de los dos años aproximadamente. Por ello, antes de esto es difícil que realicen movimientos coordinados precisos o tareas que implican secuencias de actividades bien articuladas, como hablar correctamente. El cómo comienza el niño a utilizar este recurso para conseguir estas habilidades es aún un misterio. Sólo sabemos que empieza a utilizarse y eso implica que el niño adquiere una serie de destrezas que no tenía antes".

En la investigación de enfermedades y nuevas patologías, Ros ejemplifica que el proyecto puede simular también alguna disfunción del tipo neuronal. "Se haría construyendo un modelo de neurona al que afecte un fármaco o una medicina y ver cómo se coporta la red con esta nueva neurona. De esta forma entendemos cómo afecta esta característica de la neurona al sistema total". Por ejemplo, en el caso del cerebelo relacionado con disfunciones que afectan a nuestra destreza de movimientos, como ataxia cerebellar.

"La simulación del cerebro humano es uno de los retos de este siglo. Quedan muchas etapas, pero podemos entender mucho de este sistema tan complejo".

La idea surgió en el seno de dos proyectos europeos: SpikeForce y Sensopac, con la colaboración de diversos grupos de investigación internacionales. "En estos proyectos, uno de los retos era desarrollar herramientas que nos permitan estudiar modelos que han investigado grupos de neurofisiología y simularlos para poder estudiar variaciones de esos modelos y evaluar su potencial interés en el campo de la robótica".

"Con estos experimentos", concluye Ros, "esperamos ilustrar que lo que podemos aprender de la naturaleza (en este caso del cerebelo huamano) podemos utilizarlo o aplicarlo a la robótica".

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