Revista Descubrir. Octubre 1992
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FABRICANTE DE CEREBROS
Mientras toma te verde en su atiborrada oficina de Yokohama,
Japon, Masuo Aizawa se expresa con cuidado y cortesmente: no, no parece un
genio loco de las peliculas. Ni siquiera, cuando el cientifico de 49 años nos
muestra su mayor motivo de orgullo: algo que parece un slide de cristal,
depositado en el fondo de un platillo de plastico lleno de un liquido
transparente. El slide es en realidad un chip electronico, y se lo ve bastante
rudimentario bajo el microscopio. En lugar de los intrincados circuitos de los
modernos chips, este no tiene mas que simples rayas; en vez de los millones de
diminutos transistores habituales, aqui solo parece haber salpicaduras de
barro. Pero las apariencias engañan. El chip de Aizawa es, realmente, una de
las ultimas maravillas tecnologicas. Esas especies de agujas embadurnadas con
pelotitas de barro no son defectos del chip, sino celulas nerviosas "de
fabrica", dispuestas en lo que seria el precursor de un circuito electronico
biologico; el primer paso, explica Aizawa, hacia la construccion de un cerebro
artificial.
Masuo Aizawa, bioquimico del Instituto de Tecnologia de Tokio,
se ha sentido siempre cautivado por esas facultades del cerebro humano que lo
asemejan a una computadora. Intercambiando señales electricas entre si, 100
mil millones de celulas nerviosas (denominadas neuronas), ubicadas en la
boveda osea que se asienta encima del cuello, son capaces de reconocer el
rostro de alguien a 50 metros, mantener una conversacion rapidisima y rescatar
vividos recuerdos almacenados durante 70 años. Por comparacion, las
computadoras mas avanzadas del mundo todavia no superan la manera de
expresarse de un chico de 4 años.
Muchisimos cientificos han explorado los secretos del cerebro; y
numerosos investigadores diseñaron programas de computacion o chips que
procuran imitar las propiedades de una neurona. Lo que Aizawa pretende es
lograr ambas cosas a la vez; que una de las celulas mas complejas del reino
natural sirva como componente electronico en un aparato fabricado por el
hombre, ante el cual la actual tecnologia de transistores pareceria una cosa
de la Edad de Piedra. "Una neurona parece mas grande que un transistor",
explica, "pero procesa tantas señales, que es mabien algo asi como un
verdadero chip de computadora. Y creo que podremos utilizarlas para fabricar
biocomputadores."
Aizawa todavia esta muy lejos de poder fabricar computadores a
base de neuronas. Y a decir verdad, las finas franjas de celulas dispuestas en
su chip todavia no estan haciendo nada util. Sin embargo, lograr el
ordenamiento de celulas nerviosas cultivadas sobre una superficie conductora
de electricidad resulto una tarea herculea, que insumio casi una decada de
ensayos y errores. El resultado fue que ahora Aizawa esta listo para construir
simples circuitos nerviosos que gradualmente puedan volverse cada vez mas
complejos: tal vez mas que los actuales chips transistorizados, y mas utiles
tambien. Aizawa, segun el mismo admite, todavia tiene 20 años de labor por
delante, mas razon para no perder tiempo en esta primera etapa. El cerebro
humano posee una hasta ahora insuperable capacidad para el reconocimiento y el
aprendizaje porque, a diferencia de las computadoras, no procede paso a paso.
Por el contrario, el cerebro emplea miles de millones de simples
"computadoras" propias, las neuronas, que trabajan al unisono, generando una
compleja red de señales que marchan en todas direcciones y se activan
mutuamente. La intrincada trama recibe diferentes datos a partir de los mismos
sentidos. La red neuronal procesa la informacion y obtiene el resultado final.
Realiza asi las correspondientes conexiones entre los grupos de neuronas que
captan informacion de los distintos sentidos, con las neuronas que finalmente
disparan la señal al cerebro, para finalmente identificar el objeto que captan
los sentidos. Ademas, el cerebro puede distinguir objetos procesando datos muy
dispares, cosa que no puede hacer ninguna base de datos actual.
Por añadidura, el cerebro es autodidacta: aprende, mediante
ensayos y errores a hallar el camino en medio de un laberinto de señales que
compiten entre si, y finalmente escoge aquellas que dan la respuesta correcta.
Al activarse reiteradamente las correspondientes neuronas, es posible, por
ejemplo, aprender de memoria un numero de telefono repitiendolo varias veces.
Acicateados por las hazañas del cerebro, los cientificos producen cada vez mas
programas de computadoras diseñados segun el estilo de las redes neurales.
Por lo comun toman varios miles de secciones de la memoria de un computador,
y las emplean a modo de neuronas: se programa una capa inicial de "neuronas"
tales a fin de aceptar la entrada; y transmitir señales electricas de variada
intensidad a otra capa de neuronas. Estas calibran las señales y "deciden"
cual es el significado, transmitiendo ulteriores señales a una tercera capa de
neuronas. En esta tercera capa de salida, cada neurona equivale a una
diferente respuesta: un nombre distinto, por ejemplo, o una direccion
diferente en la que avanzar. Pero tales resultados, si bien promisorios,
distan de acercarse a los que puede alcanzar el cerebro humano, o incluso el
de un pajaro. El hardware y el software empleado por los cientificos para
imitar las funciones de una neurona todavia estan muy lejos de la genuina.
Este puede aceptar miles de señales simultaneas y disparar la correspondiente
a unas 10.000 neuronas mas. Para lograr algo parecido, habria que desarrollar
un software o componentes electronicos mas parecidos a las neuronas
verdaderas, o colocar a estas en un chip. Esto ultimo, claro esta, es muy
dificil, habria que cultivar neuronas, ensamblarlas, y obtener y transmitir
las correspondientes señales.
Algo de esto esta tratando de hacer Masuo Aizawa, con el
patrocinio del mismo gobierno japones. Desde el campus de Yokohama, en el
Intituto de Tecnologia de Tokio, el cientifico desarrollo su carrera en base a
algo que muchos consideraban imposible: transplantando procesos biologicos
desde su comodo habitat en los tejidos vivientes, hasta el duro mundo de los
aparatos fabricados por el hombre. "Yo hablo de superbiologia", dice Aizawa,
"Se supone que los componentes biologicos estan idealmente adaptados a su
medio natural, pero nosotros hallamos maneras de adaptarlos a nuestros
sistemas artificiales y los hacemos funcionar mejor aun de lo que ocurre
normalmente..."
Al iniciar sus investigaciones, Aizawa intento primero hacer
proliferar celulas comunes en materiales conductores y semiconductores. Los
mejores resultados fueron obtenidos con un compuesto semiconductor a base de
oxido indio; aunque a regañadientes, las celulas se dividian y crecia su
numero. La clave estaria en controlar ese crecimiento, en lograr que las
celulas formasen diagramas que a la larga pudieran formar la base de un
circuito electronico. Luego Aizawa se proponia utilizar celulas nerviosas;
cuando estas crecen, emiten largas formaciones tentaculares denominadas
neuritasl es a traves de redes interconectadas de neuritas que las celulas
nerviosas del organismo transmiten señales electricas entre si. Pero si Aizawa
lograba cultivar celulas nerviosas en su slide, y aquellas eran libres de
emitir neuritas en todas direcciones, lo que finalmente obtendria seria una
densa maraña que impedirian todo estudio o control de la transmision de
señales.
Siguiendo su inspiracion, Aizawa intento enviar un pequeño
voltaje a traves del revestimiento. Razono que, como una membrana celular
contiene moleculas con una ligera carga electrica, podrian responder a una
carga similar en el medio que las rodeaba. Esa carga parece desencadenar el
movimiento entre las moleculas, aglomerandola todas juntas a fin de tapar
agujeros en la membrana, los cuales permiten entrar a las sustancias quimicas
que estimulan el crecimiento celular. Por cierto, el minusculo voltaje
aminoraba el crecimiento celular, aunque no lo detenia por completo, y no
parecia dañar a la celula. Sin embargo, a fin de construir una primitiva red
neural, Aizawa no podia contentarse con obstruir el movimiento de algunas
celulas. Lo que se requeria era una disposicion ordenada de celulas nerviosas;
de hecho, la mejor manera de examinar la transmision de señales seria con una
larga hilera unica de celulas nerviosas interconectadas. Con una cadena de ese
tipo, seria relativamente mas facil introducir un voltaje en el extremo de la
hilera y luego detectar la señal de salida en el otro extremo, o en cualquier
punto intermedio. Ello le permitiria, asimismo, perfeccionar tecnicas para
reforzar variadas conexiones neurales mediante su repetida activacion y, tal
vez, descubrir otros medios por los cuales poder influir sobre la transmision
de señales. Una vez conocidas todas las propiedades de esas cadenas neurales,
se harian formaciones paralelas conectadas, similares a las redes neurales
simuladas por computador.
Fue esi como Aizawa se dispuso a modelar cuerdas celulares.
Mientras tanto, seguia estudiando celulas animales comunes, exponiendo las
cultivadas a una amplia serie de voltajes. A mediados de la decada de los
ochenta habia descubierto que a voltajes diferentes, son diferentes los
efectos. El voltaje apropiado, segun descubrio, era de alrededor de 0,4. Este
detenia la division de las celulas animales, sin afectar sus funciones en
ningun otro aspecto.
Pocos años despues, los cientificos dispusieron celulas
nerviosas em franjas alternadas de oxido indio y vidrio, aplicando una
corriente de 0,6 a las bandas de oxido indio. Mientras las bandas de vidrio
exhibian densos crecimientos de celulas nerviosas, no habia celulas en las
bandas de oxido. Las celulas se aglomeraban en las bandas de vidrio a fin de
evitar las bandas cargadas; ni siguiera las neuritas se cruzan a los
electrodos.
Durante los ultimos años Aizawa ha trabajado perfeccionando su
control de crecimiento de celulas nerviosas. Actualmente, ha obtenido una
version rudimentaria de las tan buscadas cuerdas neurales, franjas de celulas
interconectadas de menos de una milesima de pulgada de grosor. La tarea mas
dificil ahora estriba en diseñar las entradas y salidas para ese cordel.
Por lo general, para poner señales en una neurona se introduce una sonda, pero
eso mata a la celula.
Si el chip que configura el tablero logra ejecutar tareas
rudimentarias, tales como el reconocimiento de pautas simples, el paso
siguiente sera tratar de construir una estructura tridimensional de celulas
nerviosas capaces de llevar a cabo funciones mas complejas. En teoria, un
aparato tan fuera de lo comun seria capaz de aprender tanto como nuestros
propios cerebros. Este descubrimiento podria aplicarse en protesis, con el fin
de poder conectarlas directamente al cerebro, por ejemplo, conectar una camara
de video al nervio optico para crear un ojo artificial...
