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Nuevos desarrollos intentan lograr artificialmente la complejidad del cerebro: el auge de la computación química y la ingeniería neuromórfica.

Muchas de las investigaciones que desde hace varias décadas vienen trabajando en la complejización de las computadoras se centran, sobre todo, en las cuestiones electrónicas. Un nuevo abordaje científico del tema apuesta por un diseño y arquitectura computacional que apele más a la biología y especialmente a la química del cerebro.

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Cuando hay química difícil que no funcione…

Un equipo de trabajo integrado por científicos de varios países está desarrollando un nuevo concepto en computadoras. Basados en la biología, estas “computadoras químicas” serán capaces de imitar algunos comportamientos propios de las neuronas. Dejando de lado el silicio y la estructura de las computadoras convencionales, esta nueva rama de la informática utilizará capas de células artificiales y señales químicas para procesar datos.

Antes de seguir veamos dos videos que nos muestran cómo funcionan las neuronas, de qué modo se organizan en una red densa y expandida, y de qué manera se transmiten las sustancias químicas conocidas como neurotransmisores.

Red de neuronas en acción


Neurotransmisores



Lo que la naturaleza tiene para enseñarle a la computación

Desde que a mediados del siglo pasado se comenzó a construir computadoras, su diseño siempre se limitó a la electrónica. Dejando de lado algunas máquinas -en general, poco más que curiosidades de laboratorio- que utilizan la luz o los principios de la mecánica cuántica para funcionar, el resto de las computadoras basan su funcionamiento en el proceso de señales eléctricas. Sin embargo, nuestros cerebros utilizan la química para llevar a cabo su magia. Y tan mal no lo hacen: las computadoras aún no logran efectuar algunas tareas que un niño de 3 años puede hacer con los ojos vendados.

Ariel Palazzesi en Neoteo, según fuente de BBCNews, dice que un grupo de científicos, formado por especialistas de varios países, han encarado el diseño de un nuevo tipo de ordenador inspirado en la biología, y que utiliza la química para funcionar.

Las “computadoras químicas” serán capaces de imitar comportamientos propios de las neuronas.

El objetivo del proyecto, explica Klaus-Peter Zauner, de la Universidad de Southampton, no es hacer un ordenador más potente o veloz que los convencionales. La idea es disponer de un nuevo tipo de máquina, una clase de computador que pueda funcionar en nuevos ambientes.

“Si queremos construir equipos con un poder y complejidad similares a las del cerebro humano, mi consejo es que utilicemos algún tipo de informática química o molecular ”, dice Frantisek Stepanek, otro participante del proyecto proveniente del Instituto de Tecnología Química de Praga.

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“El tipo de tecnología de proceso de la información basado en la química no tiene como objetivo ejecutar el típico software de negocios,” aclara Zauner. No reemplazarán a los ordenadores convencionales, al menos no en las tareas comunes. “El campo de aplicación de esta tecnología incluye el control de robots moleculares y la construcción de mecanismos inteligentes para la distribución de sustancias dentro del cuerpo humano, capaces de reaccionar ante el estado de cada célula.”

El proyecto ha sido financiado con 1,8 millones de euros provenientes de un programa comunitario de tecnologías emergentes.

La base del funcionamiento de esta nueva clase de ordenadores no son los electrones que corren por circuitos de cobre o silicio impulsados por una diferencia de potencial eléctrico. El enfoque de Zauner y sus colegas se basa en la forma en que las células de nuestro cerebro intercambian datos con sus vecinas, y “procesan” la información en base a señales químicas.

“Cada neurona es como un ordenador molecular", explica Zauner.

Para seguir profundizando leer el resto de la nota de Ariel Palazzesi en Neoteo

Computadoras con células

Según BBC Mundo, lo que distingue al nuevo proyecto es que éste utilizará "células" estables que poseen un recubrimiento que se forma espontáneamente, similar a las paredes de nuestras propias células, y utiliza procesos químicos para llevar a cabo un procesamiento de señales similar al de las neuronas humanas.

El enfoque del proyecto se basa en dos ideas críticas:

a) La primera es que las "células" individuales están rodeadas de una pared formada de lípidos que recubren de forma espontánea las "entrañas" líquidas de la célula.

Investigaciones recientes han demostrado que si dos de estas capas lípidas se encuentran cuando las células hacen contacto, una proteína puede formar un camino entre ellas permitiendo el paso de las moléculas de las señales químicas.

b) La segunda, que el interior de las células puede albergar lo que se conoce como una reacción química Belousov-Zhabotinsky o B-Z.

Las reacciones de este tipo pueden ser iniciadas cambiando la concentración de la bromina en ciertas cantidades.

Estas reacciones son inusuales por varias razones, pero para las aplicaciones de computación lo que es importante es que después de la llegada de una señal química que la inicie, la célula entra en un "período refractario" durante el cual otras señales químicas no influyen en la reacción.

Esto evita que la señal se propague sin control a través de cualquier célula conectada.

Estos sistemas autocontenidos que reaccionan bajo su propia energía química ante un estímulo tienen un análogo en la naturaleza: las neuronas.

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"La nuestra es una abstracción muy cruda de lo que las neuronas pueden hacer. Pero la esencia de las neuronas es su capacidad de "excitarse"; pueden volver a formarse con una señal y tienen su propio abastecimiento de energía para poder lanzar una nueva señal", explicó Klaus-Peter Zauner a BBC Mundo.

Esta propagación de señales químicas -junto con el "período refractario" que las mantiene contenidas dentro de una célula específica- significa que las células pueden formar redes que funcionan como el cerebro.

Seguir leyendo la nota de BBC Mundo


La arquitectura del sistema nervioso como inspiración para la computación cerebral

Otra de las disciplinas científicas afines a la computación química es la ingeniería neuromórfica. Esta rama del conocimiento se ocupa del diseño y la fabricación de sistemas neuronales artificiales cuyos principios de disposición y arquitectura se basan en los de los sistemas nerviosos biológicos.

Rodney Douglas, director del Instituto de Neuroinformática (INI) del Instituto Federal de Tecnología de Zúrich, es uno de los científicos que intenta descubrir los principios-clave del funcionamiento del cerebro con el fin de aplicarlos en sistemas artificiales que interactúen de forma inteligente con el mundo real. Uno de sus principales campos de investigación es la ingeniería neuromórfica.

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La historia de la ingeniería neuromórfica se inició en el Instituto de Tecnología de California en 1980 con el trabajo de Carver Mead, que investigó la construcción a imagen y semejanza del cerebro de grandes sistemas dotados de componentes imprevisibles. El INI de Zúrich, uno de los centros de investigación en neuroinformática líderes de Europa, está llevando a cabo varios proyectos prometedores en este campo, como el de la retina de silicona.

Neurociencia y neuroinformática

Rodney Douglas fue entrevistado para Infonomía por Doris Obemair quien le preguntaba al científico:

D.O: Neurociencia, neuroinformática... ¿cuál es la diferencia?

R. Douglas: A diferencia de la neurociencia, que se ocupa de describir la biología del cerebro, la neuroinformática se ocupa del aspecto tecnológico del cerebro y de comprender cómo computa realmente ese órgano, cómo consigue lo que consigue en comparación con la tecnología computacional que hemos construido como humanos, y qué aporta eso a las nuevas tecnologías.

D.O: ¿Qué interrogantes intenta responder la neuroinformática?

R. Douglas: Una de las principales preguntas es qué tipo de computación realiza el cerebro. Su construcción y su funcionamiento son completamente diferentes a la computación convencional. Uno de los puntos más obvios es que el cerebro no cuenta con un programa; no hay nadie sentado junto a él escribiendo un código e insertándolo en las sinapsis para hacerlo funcionar. En vez de eso, se autoprograma a través de su interacción con el mundo.

D.O: ¿De qué maneras se podría llegar a comprender la capacidad de computación autoprogramadora del cerebro?

R. Douglas: Para comprenderla debemos actuar al igual que con los ordenadores convencionales. Tenemos que entender la arquitectura y las propiedades de los circuitos construidos para ser capaces de computar sus funciones. Por lo tanto, intentamos entender las conexiones neuronales en el córtex y su forma de actuar. Después, nos preguntaremos qué significa eso respecto a la computación y si podemos construir una tecnología más o menos parecida.

A fin de solucionar este tipo de cuestiones, se debe partir de la biología. Empezamos en el córtex cerebral, donde parece ser que existe una estructura neuronal muy regular, usada en una serie de contextos diferentes: ver, oír y planificar.

D.O: Así pues, ¿algún día se podrán construir computadoras que se autoprogramen?

R. Douglas: No es un problema irresoluble, eso está claro; si no, ¡no vendría a trabajar cada mañana! En la última década la autoconstrucción y la autoprogramación están tomando protagonismo, y se les están dedicando muchos recursos. La Unión Europea financió un instituto para exactamente ese tipo de proyecto: investigar a fondo por qué se produce la autoconstrucción en el cerebro y discernir si ese fenómeno se podría usar también para crear tecnología. Así que se trata de una cuestión que está a la orden del día, y creo que se resolverá, porque en el momento en que la gente se reúne en comunidades para estudiar algo en profundidad, se resuelven problemas.

D.O: ¿Qué tipo de funciones corticales será capaz de realizar la tecnología?

R. Douglas: En última instancia se trata de si podemos construir computación como la del cerebro, pero ése es el gran objetivo a largo plazo. Antes de llegar ahí, debemos solucionar aspectos tecnológicos básicos. Los ordenadores convencionales dependen en gran medida de la estrecha sincronización de todas las operaciones que llevan a cabo. Así que, incluso en el caso de que se tengan múltiples procesadores, todos deben estar perfectamente sintonizados con unas reglas muy claras acerca de cómo transferirse la información entre sí. En el cerebro, por el contrario, no se produce ese tipo de sincronización y secuenciación extremadamente estrictas. En vez de eso, disponemos de trillones de elementos, no todos conectados entre sí, sin un controlador global, y aun así, funcionan juntos de forma coherente.

Esto plantea una importante cuestión de diseño del sistema. La comunidad de la tecnología informática se encuentra con graves problemas a la hora de construir sistemas de gran escala, ya que es necesario mantener un alto grado de sincronización. Ésa es una de las principales preocupaciones en el diseño informático actual.

La biología ha escogido una manera de resolver la integración muy diferente a la de los ordenadores convencionales. Éstos emplean la sincronización para avanzarse a lo que está pasando en el tiempo real. La biología no actúa así, sino que hace lo que puede en cada momento, y confía en que los otros componentes envíen a tiempo sus propias señales. Cualquier proceso local depende del hecho de que sus datos sean válidos para ese momento, cosa que no es viable en el caso de los ordenadores. Eso va totalmente en contra de nuestro planteamiento habitual, y la pregunta es: ¿podemos construir tecnología basándonos en ese funcionamiento?

Para conocer más sobre este tema seguir leyendo la entrevista completa en Infonomia


Los avances interdisciplinarios de la computación química y la ingeniería neuromórfica son muy prometedores, ambos campos del conocimiento reconocen que en el cerebro -el órgano existente más complejo- reside la mayoría de las respuestas para los grandes desarrollos de este siglo.


7 Comentarios

  1. silvia. Marzo 13, 2010 22:43

    El artículo me pareció muy interesante. y no dejo de sorprenderme de lo que el hombre en equipo puede lograr. Que una computadora pueda llegar a imitar el comportamiento de las neuronas me parece realmente innovador e interesante. Que gran proyecto!!saludos!

  2. Karina Crespo. Abril 2, 2010 19:36

    Felicitaciones, Carina, muy buena nota
    Un beso
    K

  3. alicia. Abril 3, 2010 17:20

    Hace unos años atras era imposible pensar que una computadora pudiera realizar una actividad humana, hoy creo que es posible gracias a las nuevas tecnologias y a los avances cientificos y a la capacidad humana de inventar y constantemente crear.Pero de una cosa creo estar segura que no tendran la habilidad de aprender por si mismas o de llegar a imitar nuestra forma de pensar como lo hace nuestra red neuronal, es unica.

    Es un tema amplio y muy actua.

    Muy bueno

    Disculpen si no estan con acentos algunas palabras, es porque mi maquina no las coloca.(Ven aqui un ejemplo claro)
    alicia C F

  4. ana maria fernandez. Abril 4, 2010 00:45

    ! Excelente el artículo! es increible lo que el ser humano puede lograr con el uso de la tecnologia. sin embargo creo que la mente humana es inigualable.

  5. josé luis. Abril 4, 2010 20:23

    Muy buena la nota,es increible lo que se intenta lograr con la tecnología de hoy,una computadora que imite el funcionamiento complejo del cerebro humano es, realmente sorprendente.Esto nos demuestra que no podemos ir al márgen de la teconología y que debemos estar al tanto de lo que ocurre tecnológicamente, si no queremos marginarnos como docentes en esta era de la información y de la comunicación.

  6. Laura Loza. Abril 21, 2010 12:13

    Que excelente material informativo! estoy admirada de lo que se esta logrando en este campo de la tecnología pero prefiero creer que la mente humana nunca sera igualada. Me deja pensando y me llama a la reflexión, voy a compartirlo con mis alumnos para escuchar sus opiniones. Felicitaciones por el artículo

  7. Belén. Junio 7, 2010 01:39

    Muy claro el artículo, si bien soy una estudiante avanzada de bioingeniería me ayudo muchísimo para cotidianizar varios conceptos. Gracias