El cerebro humano es una maravilla de la naturaleza. Su complejidad y su papel en la definición de lo que somos como seres humanos hacen que sea un órgano fascinante y digno de investigación constante. Lo más increíble es que el cerebro es quien se estudia a sí mismo.
Igualmente, el cerebro es extremadamente complejo, tanto en su estructura como en su función. Cuenta con 86 mil millones de neuronas y 350 trillones de conexiones o sinapsis.
Es además el centro de control del cuerpo humano, responsable de regular funciones vitales como la respiración, el ritmo cardíaco, la temperatura corporal, el apetito y el ciclo del sueño. También recibe e interpreta la información de nuestros sentidos y elabora respuestas, entre otras muchas funciones.
Diversas investigaciones han intentado replicar el funcionamiento del cerebro mediante el diseño de chips de silicio con hardware y algoritmos que imitan la estructura y la forma de su funcionamiento. Sin embargo, estos dispositivos, que se basan en principios electrónicos digitales, chocan con las limitaciones de un alto consumo de energía y con el prolongado tiempo que requieren para su entrenamiento con redes neuronales.
Uno de los experimentos más conocidos dio lugar a K, una computadora del Instituto de Ciencias Naturales de Japón (RIKEN), que sin embargo no fue capaz de alcanzar ni 2% de la capacidad de procesamiento de información del cerebro humano, a pesar de contar con 82 mil 944 procesadores.
Computación neuromórfica
Empero, un equipo de ingenieros de la Universidad de Indiana que lidera Feng Guo, profesor asociado de Ingeniería en Sistemas Inteligentes, en colaboración con las universidades de California y Cincinnati unificó una mezcla de células cerebrales a un sistema electrónico con Inteligencia Artificial (IA) al que denominaron Sistema Brainoware, una de las primeras computadoras orgánicas funcionales.
Se trata de un computador que utiliza tejido cerebral humano para procesar la información. Este dispositivo híbrido fue capaz de reconocer el habla humana con un gran porcentaje de fiabilidad.
El estudio al respecto, publicado en Nature Electronics, presenta un nuevo enfoque biológico para superar las actuales limitaciones de la IA procesada en chips convencionales de silicio y constituye además un primer paso importante en un nuevo tipo de arquitectura informática, conocida como computación neuromórfica.
Brainoware es de hecho el primer paso importante en ese nuevo tipo de arquitectura informática. Es capaz de hacer reconocimiento de voz y predecir ecuaciones no lineales. Aunque por ahora el dispositivo es un poco menos preciso que una computadora de hardware puro, que funciona con AI que utiliza tejido cerebral.
A través de la conexión con un organoide cerebral —una versión miniaturizada y simplificada de un cerebro— la IA puede procesar la información y aprender a resolver un problema usando las conexiones neuronales naturales. Los científicos describen a Brianoware como un “hardware de IA viviente que aprovecha el poder del cálculo de las redes neuronales biológicas”.
El dispositivo creado por las universidades de Indiana, California y Cincinnati está formado por una serie de organoides cerebrales conectados a microelectrodos de alta intensidad. La estimulación eléctrica que transmiten estos elementos aporta información al tejido cerebral, que actúa a modo de reservorio en el que se procesa la información. Tanto en el proceso de entrada como en el de salida emplea hardware convencional.
Experimentos
El organoide compuesto de células cerebrales y circuitería —una combinación de circuitos empleada en un sistema eléctrico o electrónico, o en un equipo— se usó para aprender a identificar voces de una conversación y se entrenó con 240 archivos de audio que contenían el sonido de las vocales “a” y “e” pronunciadas por ocho hombres en un intervalo de doce horas. La lógica detrás del sistema de enseñanza es similar a algoritmos que ya se usan para disminuir el ruido en las llamadas.
Brainoware inició un proceso de aprendizaje y error. Con cada prueba el organoide cerebral mejoró su precisión al momento de distinguir las vocales. Los científicos indicaron que alcanzó hasta 78% de efectividad.
Pero lo que realmente sorprendió a los investigadores fue su capacidad para transformarse tras un error. “Estos resultados indican que el entrenamiento remodela notablemente la conectividad funcional del órgano, facilitando posiblemente la capacidad de aprendizaje no supervisado de Brainoware”, afirman los autores.
Y es que mientras los chips de silicio actuales intentan imitar la conexión neuronal para obtener mejores resultados, la inteligencia organoide pretende usar directamente las capacidades de un cerebro artificial.
Posteriormente, solicitaron a Brainoware que predijera un mapa de Hénon —un sistema dinámico que refleja un comportamiento caótico—. Para ello dejaron que aprendiera sin supervisión durante cuatro días. Para sorpresa de los científicos, la computadora fue capaz de realizar la tarea con mayor precisión que una red neuronal artificial no equipada con una unidad de memoria a corto plazo. De hecho, fue capaz de igualar sus resultados requiriendo 90% menos de tiempo de entrenamiento.
Con base en los resultados, los especialistas indican que la inteligencia organoide ya inició su desarrollo: a pesar de estos breves acercamientos en la materia se puede observar que es posible consolidar esta tecnología. El experimento de Brainoware es prueba de ello, indican.
Asimismo, añaden que “a pesar de que todavía puedan faltar décadas para la creación de sistemas bioinformáticos generales, este tipo de investigaciones tienen potencial para generar conocimientos fundamentales sobre los mecanismos de aprendizaje, desarrollo neuronal e implicaciones cognitivas”. Eso sí, también hacen referencia a que podrían resultar de gran ayuda para mecanismos del aprendizaje, el desarrollo neuronal y las implicaciones cognitivas de las enfermedades neurodegenerativas como el Alzhéimer. Por ejemplo, desarrollando modelos preclínicos en los que probar nuevas terapias.
Cuestiones bioéticas
El tejido cerebral utilizado para la creación de Brainoware no fue extraído de ningún ser humano, sino que se cultivó en laboratorio a partir de células madre. De hecho, los científicos aseguran haber cumplido con todas las pautas éticas al respecto. Sin embargo, varios investigadores de la Universidad Johns Hopkins han querido recordar las consideraciones a tener en cuenta a la hora de usar este tipo de organoides con el objetivo de incrementar aún más las posibilidades de la IA. En concreto, el documento está firmado por los investigadores Lena Smirnova, Erik C. Johnson y Brian Caffo, quienes no formaron parte del proyecto de la Universidad de Indiana. En él puede leerse que “a medida que aumenta la sofisticación de los organoides es imprescindible que la comunidad científica tenga en cuenta las cuestiones neuroéticas en torno de los sistemas bioinformáticos que incorporan tejido neural humano”.
Fuente: Nature Electronics