Em 2017, os pesquisadores da Universidade de Stanford apresentaram um novo dispositivo que imita o processo de aprendizado neural eficiente e de baixa energia do cérebro. Era uma versão artificial de uma sinapse - a lacuna atravanãs da qual os neurotransmissores viajam para se comunicar entre os neura´nios - feita a partir de materiais orga¢nicos. Em 2019, os pesquisadores reuniram nove de suas sinapses artificiais em uma matriz, mostrando que elas poderiam ser programadas simultaneamente para imitar a operação paralela do cérebro.

Agora, em um artigo publicado em 15 de junho na Nature Materials , eles testaram a primeira versão bio-ha­brida de sua sinapse artificial e demonstraram que ela pode se comunicar com células vivas. As tecnologias futuras decorrentes desse dispositivo podem funcionar respondendo diretamente a sinais químicos do cérebro. A pesquisa foi realizada em colaboração com pesquisadores do Istituto Italiano di Tecnologia (Instituto Italiano de Tecnologia - IIT) em Na¡poles, na Ita¡lia, e da Universidade de Tecnologia de Eindhoven, na Holanda.

"Este artigo realmente destaca a força única dos materiais que usamos para poder interagir com a matéria viva", disse Alberto Salleo , professor de ciência e engenharia de materiais em Stanford e co-autor saªnior do artigo. “As células estãofelizes sentadas no pola­mero macio. Mas a compatibilidade émais profunda: esses materiais funcionam com as mesmas moléculas que os neura´nios usam naturalmente. ”

Enquanto outros dispositivos integrados ao cérebro exigem um sinal elanãtrico para detectar e processar as mensagens do cérebro, as comunicações entre esse dispositivo e as células vivas ocorrem atravanãs da eletroquímica - como se o material fosse apenas mais um neura´nio que recebia mensagens de seu vizinho.

A sinapse artificial bio-ha­brida consiste em dois eletrodos de pola­mero mole, separados por uma vala cheia de solução eletrola­tica - que desempenha o papel da fenda sina¡ptica que separa os neura´nios comunicantes do cérebro. Quando as células vivas são colocadas em cima de um eletrodo, os neurotransmissores liberados pelas células podem reagir com o eletrodo para produzir a­ons. Esses a­ons viajam pela vala atéo segundo eletrodo e modulam o estado condutor desse eletrodo. Parte dessa mudança épreservada, simulando o processo de aprendizado que ocorre na natureza.

“Em uma sinapse biológica, basicamente tudo écontrolado por interações químicas na junção sina¡ptica. Sempre que as células se comunicam, elas estãousando química ”, disse Scott Keene, um estudante de graduação em Stanford e co-autor principal do artigo. "Ser capaz de interagir com a química natural do cérebro da¡ ao dispositivo uma utilidade adicional".

Esse processo imita o mesmo tipo de aprendizado observado nas sinapses biológicas, o que éaltamente eficiente em termos de energia, porque a computação e o armazenamento de memória acontecem em uma ação. Nos sistemas de computadores mais tradicionais, os dados são processados ​​primeiro e depois movidos para o armazenamento.

Para testar seu dispositivo, os pesquisadores usaram células neuroenda³crinas de ratos que liberam o neurotransmissor dopamina. Antes de realizar o experimento, eles não tinham certeza de como a dopamina iria interagir com o material - mas eles viram uma mudança permanente no estado de seu dispositivo na primeira reação.

"Saba­amos que a reação éirreversa­vel, por isso faz sentido que cause uma mudança permanente no estado condutor do dispositivo", disse Keene. “Mas era difa­cil saber se atingira­amos o resultado previsto no papel atéque va­ssemos isso no laboratório. Foi quando percebemos o potencial que isso tem para emular o processo de aprendizado de longo prazo de uma sinapse. ”

Esse projeto bio-ha­brido estãoem esta¡gios iniciais que o foco principal da pesquisa atual era simplesmente fazaª-lo funcionar.

"a‰ uma demonstração de que essa comunicação que combina química e eletricidade épossí­vel", disse Salleo. "Vocaª poderia dizer que éo primeiro passo em direção a uma interface cérebro-ma¡quina, mas éum primeiro passo minaºsculo, minaºsculo."

Agora que os pesquisadores testaram com sucesso seu projeto, estãodescobrindo os melhores caminhos para pesquisas futuras, que podem incluir trabalhos em computadores inspirados no cérebro, interfaces cérebro-ma¡quina, dispositivos médicos ou novas ferramentas de pesquisa para a neurociência Eles já estãotrabalhando em como fazer o dispositivo funcionar melhor em ambientes biola³gicos mais complexos que contem diferentes tipos de células e neurotransmissores.