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Construyendo la corteza en silicio
En Stanford se está llevando a cabo un ambicioso proyecto para modelar la corteza cerebral en silicio. El cerebro creado por el hombre podría ayudar a los científicos a comprender cómo la parte evolucionada más recientemente de nuestro cerebro realiza sus complejas hazañas computacionales, permitiéndonos comprender el lenguaje, reconocer rostros y programar el día. También podría conducir a nuevas prótesis neurales.
Los chips de silicio construidos para parecerse al cerebro podrían arrojar luz sobre su poder computacional.
Los cerebros hacen las cosas de formas técnica y conceptualmente novedosas: pueden resolver problemas con bastante facilidad que aún no podemos resolver con las máquinas digitales más grandes y modernas, dice Rodney Douglas , profesor del Instituto de Neuroinformática de Zúrich. Una de las formas de explorar esto es desarrollar hardware que vaya en la misma dirección.
Las neuronas se comunican con una serie de pulsos eléctricos; Las señales químicas cambian transitoriamente las propiedades eléctricas de las células individuales, lo que a su vez desencadena un cambio eléctrico en la siguiente neurona del circuito. En la década de 1980, Carver Mead , pionero en microelectrónica en el Instituto de Tecnología de California, se dio cuenta de que los mismos transistores utilizados para construir chips de computadora podrían usarse para construir circuitos que imitaran las propiedades eléctricas de las neuronas. Desde entonces, los científicos e ingenieros han estado utilizando estas neuronas basadas en transistores para construir circuitos neuronales más complicados, modelando la retina, la cóclea (la parte del oído interno que traduce las ondas sonoras en señales neuronales) y el hipocampo (una parte del cerebro crucial para la memoria). Llaman al proceso neuromorfismo.
Ahora Kwabena Boahen , neuroingeniero de la Universidad de Stanford, está planeando el proyecto neuromórfico más ambicioso hasta la fecha: crear un modelo de silicio de la corteza. El diseño de primera generación estará compuesto por una placa de circuito con 16 chips, cada uno con una matriz de neuronas de silicio de 256 por 256. Se pueden configurar grupos de neuronas para que tengan diferentes propiedades eléctricas, imitando diferentes tipos de células en la corteza. Los ingenieros también pueden programar conexiones específicas entre las células para modelar la arquitectura en diferentes partes de la corteza.
Queremos poder explorar diferentes ideas, diferentes patrones de conectividad, diferentes operaciones en estas áreas, dice Boahen. Realmente no es posible explorar eso en este momento. En última instancia, Boahen planea construir chips que otros científicos puedan comprar y usar para probar sus propias teorías sobre cómo funciona la corteza. Ese nuevo conocimiento puede luego integrarse en la próxima generación de chips.
Es muy emocionante, dice Terrence Sejnowski , jefe del Laboratorio de Neurobiología Computacional del Instituto Salk, en La Jolla, CA. La tecnología ha madurado hasta el punto en que es posible pensar en simulaciones a gran escala. Por ejemplo, Sejnowski estudia cómo el tálamo, un área del cerebro que se cree que transmite e integra información de diferentes partes del cerebro, interactúa con la corteza. Actualmente podemos hacer pequeñas simulaciones de cientos a miles de neuronas, pero sería genial poder escalar eso, dice.
La cuadrícula de un millón de neuronas tendrá una velocidad de procesamiento equivalente a 300 teraflops, lo que significa que, a diferencia de las simulaciones de software de computadora de la corteza, el modelo de silicio cableado podrá ejecutarse en tiempo real. En lugar de ejecutar mil instrucciones de software, es solo corriente que se ejecuta a través de transistores, como neuronas reales, dice Boahen.
Por supuesto, el proyecto será desafiante. Tendrán que conseguir una gran cantidad de chips para trabajar juntos, dice Douglas. Para armar una estructura en la escala que Kwabena tiene en mente, nadie lo ha hecho todavía. Pero podría convertirse en un punto de inflexión en el campo. Douglas compara el estado actual de la ingeniería neuromórfica con las primeras etapas del diseño de chips de computadora. La gente había estado trabajando en diferentes tipos de puertas lógicas, pero se necesitaba una visión del mundo completamente diferente para construir chips de computadora, dice.
En última instancia, los ingenieros esperan utilizar la información generada por la corteza de silicio de diversas formas, por ejemplo, para construir mejores prótesis neurales. El aspecto en tiempo real de esta tecnología nos permite, en principio, interconectar la corteza de silicio con la corteza real o el cerebro, dice Gert Cauwenberghs, neuroingeniero de la Universidad de California en San Diego. Existe la promesa, al menos en el futuro, de construir una prótesis para reemplazar alguna función motora o sensorial perdida.