Científicos utilizan herramientas de Aprendizaje Profundo –una rama de la IA– para entender el funcionamiento de las neuronas de la retina. El Dr. César Ravello explica que estudios de este tipo son fundamentales para describir los principios básicos del funcionamiento del sistema nervioso. Pese a avances expuestos recientemente a nivel mundial, el neurocientífico expone que aún estamos “muy lejos” de controlar con tecnología las tareas más complejas del cerebro.
Científicos chilenos intentan comprender los mecanismos de interacción entre el cerebro y el sistema visual a través de herramientas de Inteligencia Artificial (IA). Los avances en estos desarrollos podrían en el futuro curar enfermedades a través de dispositivos tecnológicos que repliquen el comportamiento de las neuronas del sistema nervioso central.
El Dr. César Ravello, quien lidera las investigaciones que se llevan a cabo en el laboratorio de Biología Computacional de la Fundación Ciencia y Vida en este campo, asegura que el ojo humano puede ser la puerta de entrada a un universo aún desconocido en su totalidad para la ciencia: las neuronas.
“Utilizando herramientas de aprendizaje profundo –una rama de la IA que permite “entrenar” redes artificiales de neuronas– estamos tratando de entender cómo éstas hacen la transformación de fotones o señales luminosas, recibidas desde el ambiente, a impulsos nerviosos con una estructura específica, lo que nos permite ver. En esta estructura cada impulso puede traducir algo distinto sobre la escena que observamos en la realidad”.
Pese a los avances expuestos recientemente a nivel mundial, que permiten incorporar tecnología de frontera para medir y modular la actividad cerebral, el neurocientífico chileno asegura que aún estamos muy lejos de poder controlar con herramientas como la IA las tareas humanas más complejas.
Para ello, proyecta, faltan décadas de desarrollo tecnológico y científico.
En este contexto, los estudios realizados en la Fundación Ciencia y Vida apuntan a diseñar modelos computaciones que contribuyen a profundizar el conocimiento sobre la interacción entre las neuronas, así como las señales que se transmiten a distintas regiones del organismo. Y en particular, la retina.
“Estamos interesados en estudiar la visión y cómo se transmiten los mensajes y señales desde los ojos al cerebro”.
Según el Dr. Ravello, este conocimiento podría ser útil en el futuro para desarrollar soluciones para personas no videntes, cuyos ojos dejan de enviar señales al cerebro y por ende estos no se retroalimentan con impulsos nerviosos para ejecutar la acción de observar. El desafío de restablecer esa tarea podría tener efectos terapéuticos en el futuro.
“Los avances de estos desarrollos podrían en el mediano o largo plazo ayudar a que esas personas recuperen la capacidad de ver. Esto se lograría con la conexión de una cámara a un dispositivo que convierta esas señales electrónicas en señales que el cerebro pueda leer, reemplazando la función de la retina con este dispositivo”.
“Pero para eso necesitamos entender cómo se traduce una imagen en señales neuronales y es a lo que estamos tratando de aportar en nuestro laboratorio”.
Comprender lo desconocido
En la Fundación Ciencia y Vida, el equipo liderado por el Dr. Ravello está embarcado en una tarea científico-tecnológica, diseñando modelos de aprendizaje profundo (concepto también conocido como deep learning, por su extendido uso en idioma inglés), para describir cómo las neuronas emiten señales desde los ojos al cerebro.
El reto consiste en comprender procesos que ocurren entre el cerebro y el ojo a través de simulaciones computacionales. En la retina, en específico, existen neuronas especializadas que interceden en que los seres humanos podamos “decodificar” señales externas y convertirlas en impulsos nerviosos, que luego se convierten en imágenes.
El rol de las neuronas es producir y transmitir impulsos nerviosos. Dicho proceso comienza cuando éstas reciben señales químicas, denominadas “neurotransmisores”, que ocasionan un cambio en las propiedades de su membrana dependiendo de la señal que reciben. A partir de esta decodificación, emiten un impulso nervioso que incide en una potencial acción; por ejemplo, la visión.
“Esta es la forma en que se comunican las neuronas: una sola de ellas va a liberar nuevos neurotransmisores que a su vez van a ser detectados por otras neuronas, conectando redes muy complejas que van transmitiendo y procesando la información. Pero en la retina, las cosas se dan de una manera un poco distinta, porque las neuronas en lugar de recibir neurotransmisores reciben directamente fotones –o luz– desde el exterior”.
Un fotón es la unidad más pequeña de luz que captamos desde el exterior. Al ser detectados por las neuronas en la retina, estas liberan nuevos neurotransmisores, convirtiendo el estímulo externo en una señal nerviosa enviada directamente al cerebro. En esta región del organismo existen diversos tipos de células, que se van activando dependiendo del tipo de estímulo: colores, movimientos o señales con menor o mayor cantidad de luz.
Mensajes desde el cerebro
El Dr. Ravello precisa que el funcionamiento del ojo humano no es comparable, por ejemplo, con el de una cámara. Esto, pues cuando este órgano capta una imagen desde el exterior, la información no viaja de manera completa al enviarla. Por el contrario, la señal se descompone en sus distintos elementos, y cada neurona manda múltiples fragmentos al cerebro.
El desafío científico hoy es comprender cuál es el rol que juega cada una de estas células en la transformación de señales químicas en imágenes en el sistema nervioso.
Y ahí es donde la Inteligencia Artificial juega un rol clave. “Los sistemas de IA proveen herramientas que son capaces de imitar o replicar las funciones de transformación de señales, tal como en la vida cotidiana vemos que dispositivos computacionales pueden detectar en una foto la identidad de una persona a través de su rostro”.
“A partir de experimentos podemos ver cómo las neuronas responden frente a distintas imágenes y luego traspasan la información al cerebro. Esto lo registramos para que redes neuronales de Inteligencia Artificial puedan aprender lo mismo que hacen las neuronas del experimento. Y así estudiar en detalle cómo se generan estas conexiones”.
Este mecanismo computacional operan, en definitiva, como una contraparte de lo que ocurre en términos biológicos en nuestros ojos. Así, el entrenamiento de neuronas mediante Aprendizaje Profundo permite describir tareas cada vez más complejas, valoran desde la Fundación Ciencia y Vida.
“El sistema visual está organizado de forma jerárquica, con las primeras neuronas haciendo cosas muy simples, pero a medida que vamos avanzando vemos cómo otras van haciendo tareas más complejas: detectar caras o identificar personas y formas”, señala el Dr. Ravello, quien destaca que las investigaciones apuntan a consolidar modelos neuronales que puedan ser transferidos a soluciones físicas especializadas.
“Los modelos de Inteligencia Artificial de la retina son el punto de entrada al sistema nervioso central. Nuestro objetivo es generar estos modelos para todo el cerebro, conectando las distintas zonas encargadas de procesar señales visuales”.
Décadas de desarrollo por delante
Controlar con herramientas de inteligencia artificial las tareas más complejas del cerebro humano es un desafío que demandará aún décadas de desarrollo científico y tecnológico. Así lo proyecta el Dr. César Ravello, quien explica que los nuevos avances en la materia, recientemente expuestos por la compañía Neuralink, suponen la interacción entre dispositivos electrónicos y aún una mínima parte de las neuronas del sistema nervioso.
La demostración realizada por Elon Musk hace algunas semanas fue el último episodio en una de las tecnologías que más atención despierta en la sociedad del siglo XXI: dotar al cerebro de nuevas capacidades con la Inteligencia Artificial. Sin embargo, y pese al salto cualitativo que supuso el implante de un chip en el cerebro de un cerdo, la escalabilidad del desarrollo es todavía lejana, aclara el científico chileno.
“Hay un gran salto en términos de la información que podemos recopilar, hasta diez veces mayor que los aparatos que miden señales neuronales disponibles hasta ahora. Pero nuestro cerebro tiene varios millones de neuronas, por lo cual la información que este aparato puede captar es aún una mínima parte de toda la actividad del cerebro, una cifra muy pequeña como para pensar aún en controlar tareas más complejas”, plantea el investigador.
En Chile, la investigación del cerebro ha sido prolifera, principalmente a nivel de enfermedades neurodegenerativas. Según el investigador de la Fundación Ciencia y Vida, comprender acabadamente la interacción de las neuronas es clave para desarrollar soluciones con potencial terapéutico en las próximas décadas. Se trata de entender los principios científicos básicos de cómo funciona el sistema nervioso en general.
“Y uno de los aspectos más importantes es cómo las neuronas se comunican entre ellas para generar funcionalidades como moverse y memorizar, a fin de comprender qué partes del cerebro están involucradas en ciertas enfermedades. En un principio nos enfocamos en aquellas donde hay una desconexión a nivel cerebral pero hay otras, como la depresión, que también podrían ser abordadas con desarrollos tecnológicos y científicos de este tipo en el futuro”.
(Por: Luis Francisco Sandoval. Agencia Inés Llambías Comunicaciones).
Foto principal: investigacionyciencia
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