Pela primeira vez, uma comunicação elétrica foi estabelecida entre uma célula nervosa viva e o seu equivalente artificial. Nos laboratórios da Universidade de Massachusetts, os engenheiros conseguiram criar uma troca de sinais entre um neurónio biológico e um neurónio sintético. Esta abordagem original permite que a eletrónica utilize a mesma linguagem que o sistema nervoso, reproduzindo fielmente os seus processos elétricos naturais.
Este avanço representa uma etapa importante para as interfaces neurais. As tentativas anteriores deparavam-se com uma incompatibilidade fundamental: os sistemas eletrónicos clássicos utilizavam tensões demasiado fortes para os tecidos biológicos. A nova tecnologia reduz esta diferença ao funcionar com parâmetros energéticos semelhantes aos do nosso cérebro, estabelecendo as bases para uma comunicação perfeitamente biocompatível.
A restrição energética das trocas neuronais
Os neurónios biológicos formam uma rede de transmissão extremamente económica. A sua atividade baseia-se em sinais elétricos de baixa amplitude, na maioria das vezes próximos de 0,1 volt. Durante muito tempo, os neurónios artificiais não conseguiram imitar esta sobriedade energética, exigindo tensões até 10 vezes mais elevadas e um consumo de energia 100 vezes superior.
Esta divergência criava um obstáculo intransponível para uma integração com os tecidos vivos. Os sistemas eletrónicos tradicionais, pela sua intensidade energética excessiva, sobrecarregavam as células biológicas e perturbavam a sua atividade normal. O elevado consumo era acompanhado por uma degradação da informação, tornando impossível qualquer troca fiel.
A resposta técnica foi encontrada com a utilização de nanofios proteicos produzidos por bactérias. Estas estruturas microscópicas, adaptadas aos meios biológicos, transmitem sinais elétricos a tensões muito baixas. A sua natureza orgânica garante a sua estabilidade nas condições húmidas próprias dos tecidos vivos, ao contrário dos materiais eletrónicos convencionais.
a) Esquema de um neurónio "integrate-and-fire" mostrando a injeção de corrente excitatória, a fuga de corrente e a evolução do potencial de membrana até ao limiar ou à extinção. Em baixo, esquema da formação de um filamento metálico num memristor.
b) Esquema da estrutura do memristor utilizando nanofios proteicos, seguido de imagens TEM mostrando uma rede esparsa e depois densa (100 nm).
c) Mil varrimentos I-V medidos num memristor ligado a uma resistência.
d) Resposta em corrente do memristor a um impulso de tensão cuja amplitude passa de 120 mV para 10 mV em t = 0,2 s. As potencialidades de uma interface integrada
As aplicações previsíveis incidem principalmente no campo médico. As próteses neurais e as interfaces cérebro-máquina poderiam beneficiar desta adequação energética. A troca direta entre dispositivos eletrónicos e tecidos nervosos abre perspetivas para tratamentos mais direcionados de certas patologias neurológicas, com uma melhor integração e uma perturbação reduzida da atividade cerebral.
No setor dos sensores biomédicos, esta inovação elimina a obrigação de amplificar os sinais biológicos. Os dispositivos eletrónicos poderiam assim descodificar diretamente os impulsos nervosos sem fase de tratamento intermédia. Esta simplificação permitiria conceber sistemas mais compactos, menos consumidores de energia e mais sensíveis às variações finas dos sinais naturais.
A eletrónica neuromórfica constitui outro domínio de aplicação importante. A conceção de sistemas informáticos inspirados no cérebro humano poderia atingir um desempenho energético inigualável. Estes processadores bioinspirados reproduziriam o paralelismo e o baixo consumo das redes neuronais biológicas, de acordo com os trabalhos publicados na
Nature Communications.
Autor do artigo: Cédric DEPOND
Fonte: Nature Communications