Reflexiones sobre la conmutación óptica controlada de las neuronas: optogenética frente puntos cuánticos
Uno de los principales contendientes para interfaces avanzadas cerebro ordenador (BCI) y que se espera en el futuro es la optogenética. La optogenética es un conjunto de tecnologías que permiten el control rápido y dirigido de eventos específicos en sistemas biológicos tanto simples (células) como complejos (tejidos e incluso animales de experimentación vivos y libres de moverse). La razón de este control tan rápido y preciso reside en el uso de la luz como agente inductor, generando una velocidad de respuesta del orden de milisegundos y una precisión que puede restringirse a células aisladas. Entonces, mediante la introducción de una fuente de luz que emite luz de la longitud de onda particular, a la que la proteína es sensible son capaces de controlar la apertura y cierre de estos canales de proteínas, lo que resulta en la activación de la neurona. Hay una serie de canales de proteínas diferentes que se han descubierto y puesto en uso, los grupos de optogenética son capaces de cambiar las neuronas, los circuitos neuronales y otras áreas del cerebro y su apagado a voluntad.
Otro contendiente para interfaces avanzados cerebro computadora implica el uso de puntos cuánticos, los últimos acontecimientos de los cuales se han publicado recientemente aquí: http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=boe-3-3-447. Los puntos cuánticos son fabricados a través de una serie de métodos, con un tamaño de estas partículas que varían entre dos nm a 100 nm o más. Al variar la estructura de la composición del material, tamaño y forma de estas partículas es posible diseñar una increíble variedad de partículas (puntos) que respondan a una gama igualmente amplia de longitudes de onda de la luz. La investigación mencionada - es como se puede ver en la imagen - el equipo introdujo puntos cuánticos en la proximidad de las neuronas, y luego emitió luz de la longitud de onda que corresponde a la energía de excitación de ese punto en particular, lo que provocó que los puntos respondan con la creación de un campo eléctrico temporal, lo que provocó los canales de proteínas de las células neuronales naturales que se abrieran, lo que esencialmente causó activar toda la neurona.
Ambas técnicas alcanzan el mismo objetivo: la activación controlada de las neuronas.
La optogenética logra esto mediante la introducción de material genético en la célula, y es un proceso inherentemente biológico que "simplemente" añade uno o más tipos de canales de proteína a una pared celular ya ocupada. Sin embargo, el número de genes sensibles a la luz y proteínas que se pueden agregar es limitado (aunque esto se puede esperar que aumente con el tiempo igual que otras proteínas de algas que se descubren y las proteínas sintéticas están diseñados) y esto parece plantear un límite a la cantidad de control de finura de grano que se puede lograr. Por ejemplo, dadas las dificultades de la introducción de la luz a través del cráneo y cerebro, no parece haber un límite a la cantidad de finura de grano, la orientación de la luz lograda, de tal manera que necesariamente grandes pulsos de luz activan regiones cercanas además de la región que se quería encender. Esto funciona bien hasta el punto en que el número de entradas de información que se necesitan es igual o menor que el número de los diferentes canales sensibles a la luz que se pueden introducir en la región más pequeña de tejido cerebral al que la fuente de luz puede dirigirse. La optogenética sin embargo tiene una ventaja importante con algunas canales de proteínas que emiten luz como una respuesta a la activación natural de neuronas en contraste con las proteínas originales que activan las neuronas en respuesta a la luz incidente, y por lo tanto proporciona un mecanismo para la entrada y salida de información a partir del cerebro. Esta comunicación bidireccional con el cerebro será crucial para BCI avanzados.
Debido a que los puntos cuánticos pueden ser diseñados para responder a un número grande de longitudes de onda, esto es equivalente a tener un número masivo de canales de proteínas diferentes que son activados por diferentes longitudes de onda de luz. Como tal, la resolución óptica de donde se pueden ingresar los pulsos de luz es mucho menos relevante. El punto clave está dirigida a condición de que se puedan encontrar métodos para: dirigirse a los puntos cuánticos de las neuronas deseadas, circuitos neuronales, columnas corticales, o más regiones del cerebro según las necesidades, entonces no importa si grandes regiones del cerebro se llenan de luz - la únicas partes que se activarán serán aquellos que fueran atacadas con puntos cuánticos sintonizados con esa frecuencia particular. Para simplificar enormemente - un pulso de luz roja sólo activará puntos cuánticos "rojos", los puntos cuánticos "azules" no se activarán, aunque sean bañados con luz roja. Y así, dado que se pueden emitir pulsos de luz a una tasa de órdenes de magnitud más rápida que lo que las neuronas son capaces de cambiar, lo que permite señales discretas de un amplio espectro de luz para el baño del cerebro y activación de las neuronas de forma controlada de muchos regiones del cerebro como se desee.
La otra cosa importante a lograr por los equipos de investigación, por supuesto, es resolver el problema de la producción de información desde el cerebro en el sistema de puntos cuánticos, cómo hacer que los puntos cuánticos objetivo que responden a la activación neuronal mediante la emisión de luz de una frecuencia particular, que sea adecuada en potencia para ser detectada por el BCI. Disponer de un mecanismo inhibitorio - y definitivo de apagado - es también importante.
Un sistema muy, muy avanzado que permita la actividad de todas las neuronas que se registre de esta manera podría incluso permitir la copia de seguridad de la memoria humana por lo menos, y la carga total a lo sumo. Y si deja que la imaginación y la especulación correr aún más, tal vez esas estructuras de puntos cuánticos en este caso podría ser diseñado de tal manera que puedan responder a otros puntos cuánticos modificando su estructura para cambiar la luz que producen de tal manera que la salida óptica de las neuronas que están conectadas de una manera particular se relaciona de alguna manera lógica.
