Investigadores de la universidad de Harvard y de DeepMind, la empresa de inteligencia artificial (IA) de Google, han creado una rata virtual, con un cerebro artificial capaz de controlar movimientos complejos y coordinados, con el objetivo de ayudar a descifrar los mecanismos por los que el cerebro controla el movimiento.

A través de este modelo digital realista de la rata, descrito este martes en la revista Nature, la ciencia da un paso más allá al desarrollar un sistema de IA que no solo piensa de forma inteligente, sino que, además, traduce ese pensamiento en acciones físicas, en este caso en el movimiento de las extremidades.

Las mismas redes

Los investigadores utilizaron datos reales de ratas grabados en alta resolución para entrenar una red neuronal artificial (el cerebro de la rata virtual) con el fin de que fuese capaz de controlar el cuerpo virtual en un simulador de física llamado MuJoco.

En ese simulador están presentes la gravedad y otras fuerzas equiparables a las del entorno normal donde se produce el movimiento.

En sus experimentos, los investigadores comprobaron que "el cerebro artificial activaba las mismas redes de control neuronal ante el movimiento que los cerebros reales de las ratas reales", subraya el neurocientífico de Harvard Bence Ölveczky, experto en entrenar roedores de verdad para que aprendan comportamientos complejos con el fin de estudiar sus circuitos neuronales.

Mover una taza de café

"La colaboración ha sido estupenda: DeepMind había desarrollado un sistema para entrenar a agentes biomecánicos a moverse en entornos complejos que nos ha venido muy bien, ya que nosotros no teníamos los recursos para ejecutar simulaciones como esas", apunta Ölveczk.

El equipo del científico de Harvard trabajó en estrecha colaboración con los investigadores de Google DeepMind para entrenar una red neuronal artificial con el fin de desarrollar los llamados modelos de dinámica inversa, que los científicos creen que utiliza el cerebro para guiar el movimiento.

Los autores citan el ejemplo de cómo al coger una taza de café el cerebro humano calcula rápidamente la trayectoria que debe de seguir el brazo, y traduce ese cálculo en órdenes motoras para ejecutar el movimiento.

"Del mismo modo, basándose en datos de ratas reales, la red neuronal recibió una trayectoria de referencia del movimiento deseado y aprendió a producir las fuerzas necesarias para generarlo. Esto permitió a la rata virtual imitar una amplia gama de comportamientos, incluso aquellos para los que no había sido entrenada explícitamente", explica Ölveczk.

Resolver enfermedades

Estas simulaciones abren un campo inexplorado de la neurociencia virtual en el que animales simulados por IA, entrenados para comportarse como los reales, puedan proporcionar modelos cómodos y transparentes para estudiar los circuitos neuronales y ver cómo se ven comprometidos en las enfermedades.

Los investigadores avanzan que el siguiente paso será dotar al animal virtual de autonomía para resolver tareas similares a las de las ratas reales.

"Queremos empezar a utilizar las ratas virtuales para poner a prueba estas ideas y ayudar a avanzar en nuestra comprensión de cómo los cerebros reales generan comportamientos complejos", prosigue Ölveczky.

Aunque su laboratorio está centrado en estudiar el funcionamiento del cerebro, la plataforma creada con DeepMind podría utilizarse, entre otros, para diseñar mejores sistemas de control robótico, subrayan.

Los sistemas de inteligencia artificial de Google DeepMind están ayudando a desarrollar herramientas clave para identificar, entre otros, los cambios en el ADN humano que pueden causar enfermedades; o para descubrir materiales que puedan usarse para fabricar mejores células solares, baterías, o chips informáticos.

Agencias

Los viajes al espacio, incluso de corta duración, son un desafío para la salud, con cambios a muchos niveles, aunque gran parte se normalizan al regreso, según una veintena de nuevos estudios que incluyen datos de la primera tripulación compuesta solo por astronautas no profesionales.

Un centenar de instituciones científicas participaron en los estudios que publican varias revistas del grupo Nature, cuyos resultados representan el mayor compendio de datos sobre medicina aeroespacial y biología espacial.

Viajar al espacio induce cambios moleculares, celulares y fisiológicos y plantea innumerables retos biomédicos al cuerpo humano, que serán cada vez más relevantes a medida que más personas se aventuran.

Los investigadores han usado datos de estancias de hasta un año en la Estación Espacial Internacional (EEI), pero la novedad es el análisis de los recopilados en Inspiration 4, la primera misión privada con una tripulación únicamente de astronautas civiles.

En 2021, dos mujeres y dos hombres pasaron tres días a 590 kilómetros de la Tierra (unos 200 por encima de la EEI), donde realizaron diversos experimentos y tomaron muestras de sangre, saliva, heces o biopsias de piel.

Esa misión de corta duración en órbita terrestre baja provocó cambios a múltiples niveles, algunos de los cuales reflejaban los de vuelos de mayor duración, aunque "no supuso un riesgo significativo para la salud de la tripulación", según una de las investigaciones.

Vuelta a la normalidad

La mayoría de los cambios en los telómeros (extremos de los cromosomas), la química de la sangre, las proteínas o en la expresión génica vuelven "a la normalidad en unos meses" tras el regreso, destacó en una rueda de prensa virtual Chirstopher Mason, de la Escuela de Medicina de Nueva York, firmante de varios artículos.

Manson dijo que esta vuelta a los niveles de base se dieron en una tripulación "que no son especialmente atletas olímpicos ni que se entrenan diez años para ir al espacio".

Aunque un 95% de los marcadores vuelven a su valor de referencia en los meses posteriores al final de la misión, algunas proteínas, genes y citoquinas parecen activarse solo durante la recuperación y persisten al menos tres meses.

Esto sugiere que la readaptación a la Tierra activa una serie de mecanismos reparadores que ayudan a recuperar, al menos en parte, el estrés fisiológico impuesto por la exposición al entorno espacial.

Los cambios fisiológicos que más impactan de manera inicial al cuerpo se dan en el lanzamiento y la reentrada a la Tierra, debido a la variación de la gravedad, dijo a Efe el mexicano Emmanuel Urquieta, director médico del Instituto de Investigación Traslacional para la Salud Espacial de EE.UU.

El artículo en que colaboró Urquieta se centró en las primeras fases de adaptación al vuelo a nivel anatómico, celular, fisiológico y cognitivo, parámetro este último en el que "no hubo cambios significativos".

Los primeros son los cambios neurovestibulares, que tienen que ver con la orientación, provocando mareos y vómitos que afectan al 80 % de las personas, después -agregó- se producen los relacionados con la sangre y fluidos que se redistribuyen hacia el tórax, el cuello y la cabeza.

Urquieta señaló que la muestra del estudio es pequeña, cuatro personas, y que hacen falta más datos sobre los mismos parámetros en futuros vuelos.

Sistema inmune y vejez

Otros estudios se centraron en los efectos de la falta de gravedad en el sistema inmunitario, combinando datos de simulaciones, de astronautas y ratones en la EEI. Los resultados apuntan a la reactivación de virus latentes o infecciones, incluso en vuelos de corta duración.

Las distintas células del sistema inmunitario en la sangre periférica se ven moldeadas por la microgravedad, en especial linfocitos y monocitos, que son los principales protagonistas de la inmunidad.

Este trabajo, firmado entre otros por el Instituto Buck de Investigación sobre el Envejecimiento (EE.UU.), investigó posibles compuestos para revertir los efectos de la microgravedad y apuntó a la quercitina como prometedora para mitigar esos daños.

Los cambios observados en el sistema inmunitario durante los viajes espaciales se semejan a los del envejecimiento en la Tierra, por lo que estos conocimientos pueden servir para diseñar intervenciones ante la disfunción inmune que acompaña a la vejez.

Los telómeros (relacionados con el envejecimiento celular) son objeto de otras investigaciones, pues aunque ya se había descrito que se alargan en el espacio, no se sabía cuándo se producía.

La investigadora de la Universidad Estatal de Colorado (EE.UU.) Susan Bailey indicó en la rueda de prensa que, con datos de Inspiration 4, comprobaron que los telómeros de todo ellos habían crecido en un viaje de solo tres días.

Bailey precisó que al regreso estos "se acortan drásticamente" y el resultado total es que "siguen siendo más cortos que cuando el astronauta comenzó el viaje".

Atención a los riñones

Entre los estudios, uno encabezado por el University College de Londres, advierte de que la estructura y función de los riñones se ve alterada por la radiación, tanto solar como galáctica (la del espacio profundo), hasta un punto que podría poner en riesgo una misión a Marte.

La investigación simuló con ratones la exposición a radiación galáctica similar a la que se sufriría en un viaje a Marte y el resultado fue daños permanentes y pérdida de función de los riñones.