Neuronas orgánicas artificiales
16.01.2023
Investigadores de la Universidad de Linköping (LiU), Suecia, han creado una neurona orgánica artificial que imita de cerca las características de las células nerviosas biológicas. Esta neurona artificial puede estimular los nervios naturales, lo que la convierte en una tecnología prometedora para varios procedimientos médicos en el futuro.
En el Laboratorio de Electrónica Orgánica de la LOE se sigue trabajando en el desarrollo de células nerviosas artificiales cada vez más funcionales. En 2022, un equipo de científicos dirigido por la profesora asistente Simona Fabiano demostró cómo se puede integrar una neurona orgánica artificial en una planta carnívora viva para controlar la apertura y el cierre de su boca. Esta célula nerviosa sintética coincidió con 2 de las 20 características que la distinguen de una célula nerviosa biológica.
Los investigadores de LiU han desarrollado una nueva célula nerviosa artificial llamada neurona electroquímica orgánica basada en la conducción, o c-OECN, que imita con precisión 15 de las neuronas. 20 características neuronales que caracterizan a las células nerviosas biológicas, haciéndolas funcionar de manera muy similar a las células nerviosas naturales.
Uno de los desafíos clave en la creación de neuronas artificiales que imiten efectivamente a las neuronas biológicas reales es la capacidad de activar la modulación de iones. Las neuronas artificiales tradicionales hechas de silicio pueden emular muchas funciones neuronales pero no pueden comunicarse a través de iones. Por el contrario, los c-OECN utilizan iones para demostrar varias características clave de las neuronas biológicas reales", dice Simone Fabiano, Investigador Principal del Grupo de Nanoelectrónica Orgánica en LOE.
En 2018, un grupo de investigación de la Universidad de Linköping fue uno de los primeros en desarrollar transistores electroquímicos orgánicos basados en polímeros de plomo de tipo n, que son materiales que pueden producir cargas negativas. Esto hizo posible crear circuitos electroquímicos orgánicos complementarios para la impresión. Desde entonces, el grupo ha estado trabajando en la optimización de estos transistores para que puedan ser impresos en una prensa de impresión sobre láminas de plástico delgadas. Como resultado, ahora es posible imprimir miles de transistores en un sustrato flexible y usarlos para diseñar células nerviosas artificiales.
En una neurona artificial recientemente desarrollada, los iones se utilizan para controlar el flujo de corriente de electrones a través de un polímero de plomo de tipo n, lo que genera picos de voltaje en el dispositivo. Este proceso es similar a lo que sucede en las células nerviosas biológicas. El material único en la célula nerviosa artificial también permite que la corriente aumente y disminuya en una curva de campana casi perfecta, que recuerda la activación e inactivación de los canales de iones de sodio que se encuentran en la biología.
En experimentos realizados en colaboración con el Instituto Karolinska (KI), se conectaron nuevas neuronas c-OECN al nervio vago de ratones. Los resultados muestran que la neurona artificial puede estimular los nervios de los ratones, provocando un cambio del 4,5% en la frecuencia cardíaca.
El hecho de que una neurona artificial pueda estimular el propio nervio vago podría allanar el camino para importantes aplicaciones en diversas formas de tratamiento a largo plazo. En general, los semiconductores orgánicos tienen la ventaja de ser biocompatibles, blandos y dúctiles, mientras que el nervio vago juega un papel clave, por ejemplo, en el sistema inmunológico y el metabolismo del cuerpo.
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El diseño es una cámara de vacío con un diámetro de 60 cm, en la que se puede hacer "desaparecer" la gravedad. Esta decisión se inspiró en un experimento en el que se usaron imanes para hacer levitar a una rana. Según el ingeniero geotécnico Li Ruilin de la Universidad de Minas y Tecnología de China, la cámara se llenará de rocas y polvo para simular la superficie lunar: es "la primera de su tipo" en el mundo y puede simular condiciones de gravedad reducida "para mientras sea necesario".
Los científicos tienen la intención de usar el centro para probar tecnologías en entornos de baja gravedad antes de enviarlas a la Luna, donde la gravedad es aproximadamente 1/6 de la de la Tierra. Esto evitará problemas técnicos en el lugar, así como probar si algunas "ciertas estructuras" pueden existir en la superficie lunar y evaluar indirectamente la viabilidad de un asentamiento humano en el satélite de la Tierra. Según los científicos, algunos experimentos toman segundos en el simulador, otros, varios días. En particular, estamos hablando de controlar la deformación de los materiales bajo la influencia de temperaturas y cargas constantes.
La inspiración para el trabajo fue la investigación del físico Andre Geim (Andre Geim, alias Andrei Konstantinovich Geim) de la Universidad de Manchester en el Reino Unido, quien recibió el Premio Ig Nobel en 2000 por desarrollar un experimento gracias al cual una rana pudo levitar bajo la influencia de electroimanes. Agregamos que en 2010 Geim recibió el Premio Nobel de Física por la creación de un método para la obtención de grafeno.
En el caso de la rana y la cámara china, se utiliza el mismo efecto de "levitación diamagnética". Normalmente, los campos magnéticos multidireccionales extremadamente débiles de todos los átomos, ya sea que hablemos de una gota de agua o de una rana, no muestran efectos significativos, pero la aplicación de un campo magnético externo a los objetos nos permite lograr resultados interesantes.
Las pruebas en la cámara de vacío se utilizarán en la preparación de las próximas etapas del programa de exploración lunar de Chang'e, que lleva el nombre de la antigua diosa china de la luna. China ya completó con éxito una serie de misiones en el marco del programa lunar y tiene la intención de construir una estación de investigación en el polo sur del satélite para 2029.
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