Primera prueba experimental de una computadora similar a un cerebro que funciona con agua y sal
Físicos logran construir una sinapsis artificial que funciona con agua y sal. El avance proporciona la primera evidencia de que un sistema que utiliza el mismo medio que nuestro cerebro puede procesar información compleja.
Por la Universidad de Utrecht
Ilustración de una sinapsis funcionando como un ordenador, generada con DALL-E.
En la búsqueda de mejorar la eficiencia energética de los ordenadores convencionales, los científicos han recurrido durante mucho tiempo al cerebro humano para inspirarse. Su objetivo es emular su capacidad extraordinaria de diversas maneras.
Estos esfuerzos han llevado al desarrollo de ordenadores similares al cerebro, que se apartan del procesamiento binario tradicional para adoptar métodos analógicos similares a los de nuestro encéfalo. Sin embargo, mientras que este funciona utilizando agua y partículas de sal disueltas, llamadas iones, como su medio operativo, la mayoría de los ordenadores inspirados en el cerebro dependen a fecha de hoy de materiales sólidos convencionales.
Esto plantea la siguiente pregunta: ¿no podríamos lograr una replicación más fiel del funcionamiento del cerebro adoptando el mismo medio? Esta intrigante posibilidad está en el corazón del creciente campo de la computación neuromórfica iontrónica.
En el último estudio publicado en la revista PNAS, científicos de la Universidad de Utrecht (Países Bajos) y de la Universidad Sogang (Corea del Su) han demostrado, por primera vez, un sistema que depende del agua y la sal, y que exhibe la capacidad de procesar información compleja. En definitiva, el sistema recuerda la funcionalidad de nuestros cerebros. Central en este descubrimiento es un dispositivo diminuto que mide 150 por 200 micrómetros, el cual imita el comportamiento de una sinapsis, un componente esencial en el cerebro responsable de transmitir señales entre neuronas.
Recordemos que una sinapsis es un proceso fundamental en el sistema nervioso que permite la transmisión de señales entre las neuronas, que son las células del cerebro y del sistema nervioso en general. Durante la sinapsis, una neurona —la neurona presináptica— envía un mensaje a otra neurona —neurona postsináptica— a través de una unión especializada conocida como la citada sinapsis.
"Aunque ya existen sinapsis artificiales capaces de procesar información compleja basadas en materiales sólidos, ahora mostramos por primera vez que esta hazaña también puede lograrse utilizando agua y sal— comenta Tim Kamsma, del Instituto de Física Teórica y el Instituto Matemático de la Universidad de Utrecht, y autor principal del estudio. Y añade—: Estamos replicando efectivamente el comportamiento neuronal usando un sistema que emplea el mismo medio que el cerebro."
Representación gráfica de la sinapsis. Esta consta de esferas coloidales con nanocanales entre ellas.
El dispositivo, desarrollado por científicos coreanos y denominado memristor iontrónico, consta de un microcanal cónico lleno de una solución de agua y sal. Al recibir impulsos eléctricos, los iones del líquido migran por el canal, lo que altera su concentración.
Dependiendo de la intensidad —o duración— del impulso, la conductividad del canal se ajusta en consecuencia, reflejando el fortalecimiento o debilitamiento de las conexiones entre neuronas. El grado de cambio en la conductancia, esto es, la facilidad que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica, sirve como representación medible de la señal de entrada.
“Un hallazgo adicional en nuestro trabajo es que la longitud del canal afecta a la duración requerida para que se disipen los cambios de concentración—comenta Kamsma. Y añade—: Esto sugiere la posibilidad de adaptar canales para retener y procesar información durante períodos variables, similar a los mecanismos sinápticos observados en nuestro cerebro".
La génesis de este descubrimiento se remonta a una idea concebida por Kamsma, que comenzó su investigación doctoral no hace mucho tiempo. Transformó este concepto, que está centrado en la utilización de canales iónicos artificiales para tareas de clasificación, en un sólido modelo teórico.
De conjeturas teóricas a resultados tangibles del mundo real.
"Casualmente, nuestros caminos se cruzaron con el grupo de investigación de Corea del Sur durante ese periodo— recuerda Kamsma. Y añade—: Los coreanos acogieron mi teoría con gran entusiasmo e iniciaron rápidamente un trabajo experimental basado en ella".
Sorprendentemente, los primeros resultados se materializaron apenas tres meses después, y coincidían con las predicciones del marco teórico de Kamsma. "Pensé: ¡Guau!— reflexiona. Y continúa—: Es increíblemente gratificante ser testigo de la transición de las conjeturas teóricas a los resultados tangibles del mundo real, que finalmente se traducen en estos hermosos resultados experimentales".
La computación neuromórfica iontrónica empieza a despegar.
Kamsma subraya la naturaleza fundamental de la investigación, y destaca que la computación neuromórfica iontrónica, aunque experimenta un rápido crecimiento, aún está en sus inicios. El resultado previsto es un sistema informático mucho más eficiente en términos de eficiencia y consumo de energía en comparación con la tecnología actual.
Sin embargo, si esta visión se materializará sigue siendo especulativo en este momento. No obstante, Kamsma considera la publicación como un avance muy importante en la dirección correcta. "Representa un avance crucial hacia computadoras no solo capaces de imitar los patrones de comunicación del cerebro humano, sino también de utilizar el mismo medio— afirma el físico. Y concluye—: Quizá esto finalmente allane el camino para el desarrollo de sistemas informáticos que repliquen las capacidades extraordinarias del cerebro humano de manera más fiel".
Información facilitada por la Universidad de Utrecht -Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón Producciones
Fuente: Tim M. Kamsma, Jaehyun Kim, Kyungjun Kim and René van Roij. Brain-inspired computing with fluidic iontronic nanochannels. PNAS (2024). DOI: https://orcid.org/0009-0001-5565-4189
