Planifican el primer córtex de silicio

Construir modelos del cerebro a partir de chips de computadora especialmente diseñados podría revelar los secretos de nuestro órgano pensante.

La Universidad de Stanford está planificando un ambicioso proyecto destinado a crear un modelo en silicio del córtex cerebral. Este cerebro realizador por el hombre podría ayudar a los científicos a entender cómo la última parte de nuestro cerebro en evolucionar, realiza sus complejas hazañas computacionales, gracias a las cuales podemos entender el lenguaje, reconocer las caras, y planificar el día. También podría conducir a la creación de nuevas prótesis neuronales.

“Los cerebros hacen cosas en formas novedosas (técnica y conceptualmente) – pueden solucionar casi sin esfuerzo tareas que aún no podemos resolver con las más grandes y modernas máquinas digitales”, comenta Rodney Douglas, profesor del Instituto de Neuroinformática en Zurich. “Una de las formas para explorar todo esto es desarrollar hardware que fuese en la misma dirección”.

Las neuronas se comunican mediante series de pulsos eléctricos; las señales químicas cambian de forma transitoria las propiedades eléctricas de las células individuales, lo cual hace a su vez que se provoque un cambio eléctrico en la siguiente neurona del circuito. En la década de 1980, Carver Mead, pionero en microelectrónica del Instituto Tecnológico de California, se dio cuenta de que los mismos transistores que se empleaban para construir chips de computadora podían ser usados para fabricar circuitos que imitasen las propiedades eléctricas de las neuronas. Desde entonces, los científicos y los ingenieros han venido usando estas neuronas basadas en transistores para construir circuitos neuronales cada vez más complicados, modelando la reina, la cóclea (la parte del oído interno que traduce las ondas sonoras en señales neurológicas), y el hipocampo (una parte del cerebro crucial para la memoria). A este proceso lo llaman neurotransformación.

Ahora Kwabena Boahen, neuroingeniero de la Universidad de Stanford, está planificando el más ambicioso proyecto neurotransfórmico hasta la fecha. La primera generación del diseño se compondrá de una placa de circuitos con 16 chips. Cada uno contendrá una matriz de 256×256 neuronas de silicio. Se podrán preparar conjuntos de neuronas para que tengan propiedades eléctricas diferentes, imitando a las distintas células del córtex. Los ingenieros podrán también programar conexiones específicas entre las células, para modelar la arquitectura en las diferentes partes del córtex.

“Queremos ser capaces de explorar en estas áreas, ideas distintas, patrones de conectividad distintos y operaciones distintas”, comenta Boahen. “En realidad, aún no podemos explorar todo esto”. Boahen planea en última instancia construir chips que otros científicos puedan comprar y emplear para poner a prueba sus propias teorías sobre el modo en que opera el córtex. Todo ese nuevo conocimiento podría luego integrarse sobre la siguiente generación de chips.

“Es muy excitante”, comenta Terrence Sjnowski, lider del Laboratorio de Neurobiología Computacional en el Instituto Salk de la Jolla, California. “La tecnología ha madurado hasta el punto en que es posible pensar en realizar simulaciones a gran escala”. Por ejemplo, Sejnowski estudia el modo en que el tálamo, un área del cerebro supuestamente relacionada con la transmisión en integración de información procedente de diferentes partes del cerebro, interactúa con el córtex. “En la actualidad, podemos realizar pequeñas simulaciones de cientos de miles de neuronas, pero sería genial poder aumentar la escala”, comenta Sejnowski.

La red de un millón de neuronas tendrá una velocidad de proceso equivalente a 300 teraflops, lo que significa que al contrario que las simulaciones del córtex realizadas mediante software, el modelo realizado con silicio será capaz de funcionar en tiempo real. “En lugar de ejecutar miles de instrucciones de software, simplemente hablamos de corriente atravesando unos transistores, igual que sucede con las neuronas reales”, comenta Boahen.

Por supuesto, el proyecto será todo un reto. “Tendrán que poner a funcionar conjuntamente un buen número de chips”, comenta Douglas. “Construir una estructura a la escala que Kwabena tiene en mente… nadie lo ha hecho jamás”. Pero podría convertirse en un punto de inflexión en este campo. Douglas compara el estado actual la ingeniería neurotransfórmica con las primeras etapas en el diseño de chips para computadora. “La gente había trabajado con diferentes clases de puertas lógicas, pero para construir un chip para computadora se necesitó todo un conjunto de visiones diferentes sobre la materia”.

Los ingenieros esperan, en última instancia, emplear la información generada por el córtex de silicio para una amplia variedad de cuestiones, por ejemplo para construir mejores prótesis neurológicas. “Esta tecnología, que funciona en tiempo real, nos permite en principio interconectar al córtex de silicio con el córtex real del cerebro”, comenta Pert Cauwenberghs, neuroingeniero de la Universidad de California en San Diego. “Existe la promesa, al menos futura, de construir una prótesis para remplazar alguna de las funciones motoras perdidas, o las funciones sensoriales”.

Traducido de Building the Cortex in Silicon.