Nanomaterial para crear neuronas y sinapsis

Las computadoras clásicas usan valores binarios (0-1) para funcionar. Por el contrario, las células cerebrales pueden utilizar más valores, lo que las hace mejores energéticamente. Suficiente razón para que los científicos se interesen en la computación neuromórfica (similar al cerebro). En el artículo Anisotropy and Current Control of Magnetization in SrRuO₃ / SrTiO₃  Heterostructures for Spin-Memristors, publicado el 18 de mayo en la revista Frontiers in Nanotechnology, investigadores de la Universidad de Groningen (Países Bajos) han utilizado heteroestructuras de óxidos complejos con anisotropía magnética perpendicular (PMA) (no homogeneidad de las propiedades magnéticas al ser medidas en diferentes direcciones del espacio), que consisten en sustancias tales como el SrRuO3 (SRO) cultivado sobre SrTiO3 (STO) para crear elementos comparables a las neuronas y las sinapsis del cerebro, elementos creados para el manejo de los espines, una propiedad magnética de los electrones al girar. 

          Crédito: Grupo Banerjee. Universidad de Groningen / Nanotechnology News

Para sistemas con PMA la conmutación de la magnetización inducida por corriente se puede realizar con pares de giro en órbita obteniéndose una conmutación probabilística como resultado de la alta simetría. Una ligera inclinación del PMA puede romper esta simetría y permitir la realización de una conmutación determinista. El control sobre la anisotropía magnética de las heteroestructuras proporciona la elección sobre la forma de conmutación. Los investigadores proponen un memristor (resistencia variable con memoria) espintrónico de tres terminales, con un diseño de unión de túnel magnético que provee varios estados resistivos controlados por la carga eléctrica. Los dominios magnéticos se pueden cambiar usando una corriente a través de un electrodo de platino en la parte superior del SRO. Cuando los dominios magnéticos se orientan perfectamente perpendiculares a la película, este cambio es determinista: todo el dominio cambiará. Sin embargo, cuando los dominios magnéticos están ligeramente inclinados, la respuesta es probabilística: no todos los dominios son iguales y,  los valores intermedios ocurren cuando solo una parte de los cristales en el dominio han cambiado. Al elegir variantes del sustrato sobre el que se cultiva el SRO, los científicos pueden controlar su anisotropía magnética. Esto les permite producir dos dispositivos espintrónicos diferentes. La conmutación probabilística se compara con el funcionamiento de las neuronas, mientras que la conmutación determinista se parece más a una sinapsis. Se espera que en el futuro se pueda crear hardware de computadora similar al cerebro combinando estos diferentes dominios en un dispositivo espintrónico que se pueda conectar a los circuitos estándar basados ​​en silicio.  Tal vez se haya encontrado una manera de controlar los estados intermedios, no solo para la memoria sino también para la computación.

Lectura complementaria: Anisotropy and Current Control of Magnetization in SrRuO3 / SrTiO3 Heterostructures for Spin-Memristors

Sinapsis de nanorods-PLH nos acercan al cerebro real.

El cerebro humano, alimentado solo con el aporte calórico de una dieta modesta, supera fácilmente a las supercomputadoras de última generación alimentadas por entradas de energía. La diferencia radica en los múltiples estados de los procesos cerebrales frente a los dos estados binarios de los procesadores digitales, así como en la capacidad de almacenar información sin consumo de energía: memoria no volátil. Estas ineficiencias en las computadoras convencionales de hoy en día han despertado un gran interés en desarrollar sinapsis sintéticas para usar en computadoras que puedan imitar la forma en que funciona el cerebro. En el artículo Optoelectronic Synapses Based on Hot-Electron-Induced Chemical Processes, publicado el 3 de febrero del año 2020 en ACS Nano Letters, investigadores del King's College de Londres presentan una serie de dispositivos de nanorods (nanohilos o nanoalambres)  que imitan mejor al cerebro para ser aplicados en redes neuronales artificiales.

Crédito: Anatoly V. Zayats y col. ACS Nano Letters.

Ellos construyen una serie de nanorods de oro rematados con una unión de polímero PLH (poli-L-histidina). La luz o un voltaje eléctrico pueden excitar los plasmones (oscila- ciones colectivas de elec- trones) liberando electrones calientes en el PLH capaces de cambiar gradualmente la química del polímero y, por lo tanto, posibilitando diferentes niveles de conductividad o emisividad de la luz. La forma en que cambia el polímero depende de si el oxígeno o el hidrógeno lo rodean. Un entorno químico de nitrógeno químicamente inerte preservará el estado sin que se requiera ningún aporte de energía para que actúe como memoria no volátil. La unión puede configurarse y leerse de forma óptica,  eléctrica o establecerse de una manera y leer la otra permitiendo una gran versatilidad. Una ventaja importante del control óptico es que puede cambiar y leer el dispositivo de forma inalámbrica. La densidad de las matrices sinápticas de nanorods se acerca de manera impresionante a la densidad sináptica del cerebro, quedando solo mejorar en un factor de aproximadamente de mil. Un nuevo avance posibilitado por las tecnologías convergentes, NBIC (Nano-Bio-Info y Cogno), las tecnologías del siglo XXI.

Información complementaria:

Optoelectronic Synapses Based on Hot-Electron-Induced Chemical Processes

"Nanonaves" para controlar la actividad neuronal.

Investigadores de la Universidad de Trieste(Italia), de la  Universidad de Manchester (Reino Unido) y de la Universidad de Strasbourg(Francia) publicaron en la revista Nano Letters el artículo Graphene Oxide Flakes Tune Excitatory Neurotransmission in Vivo by Targeting Hippocampal Synapses, en el cual presentan un estudio sobre la capacidad de los nano-objetos para llegar a sitios puntuales y afectar la acción de células cerebrales específicas interfiriendo con la transmisión de las señales de una neurona a otra. Esto ocurre en las sinapsis, cruciales para el funcionamiento de nuestro sistema nervioso. Las sinapsis computan y transmiten información para conectar circuitos neuronales y están en la base de las operaciones cerebrales. Las alteraciones en su función contribuyen a una amplia gama de trastornos neuropsiquiátricos y neurodegenerativos, y la intervención terapéutica basada en sinapsis, como la inhibición selectiva de la transmisión sináptica, puede ayudar significativamente contra patologías graves. 

Crédito: Denis Scaini

Como si fuera una novela de ciencia ficción, escamas(hojas) de grafeno(óxido), se comportan como “nanonaves” espaciales capaces de alcanzar un sitio del cerebro para influir en el funcionamiento de ciertas neuronas o administrar  fármacos en forma  selectiva, segura y reversible(deprimen selectivamente la actividad del glutamato, principal neurotransmisor-excitador en el sistema nervioso). El nano-objeto ha demostrado su capacidad de interferir con la transmisión de la señal en las uniones sinápticas neuronales excitadoras de manera reversible, porque desaparece sin dejar rastro unos días después de haber sido administrado. La investigación podría aplicarse al tratamiento de problemas, como la epilepsia, en la que se registra un exceso de la actividad de las neuronas excitadoras o para estudiar formas innovadoras de transporte de sustancias terapéuticas in situ. Los investigadores analizaron la actividad del hipocampo luego se inyectar las escamas de grafeno en el sitio, observando la interferencia con la actividad de estas células mediante marcadores fluorescentes. Luego de 72 horas los mecanismos fisiológicos de la depuración del cerebro eliminaron por completo todas las escamas. La respuesta inflamatoria y la reacción inmune han sido menor que las registradas al administrar una simple solución salina.  La especificidad de la acción, según explican los investigadores, residiría en el tamaño de las partículas utilizadas(100-200 nanómetros de diámetro). El tamaño es la raíz de la selectividad, si las escamas son demasiado grandes, no pueden penetrar en la sinapsis, áreas muy estrechas entre una neurona y otra. Si son demasiado pequeñas, simplemente son eliminadas. En última instancia, en ambos casos, no se observaron efectos en las sinapsis. El siguiente paso es el estudio de las aplicaciones potenciales de las nanonaves de grafeno en el control de la actividad neuronal.

Información complementaria:

Graphene Oxide Flakes Tune Excitatory Neurotransmission in Vivo by Targeting Hippocampal Synapses