Los investigadores del Laboratorio de Neuroingeniería EPFLina, dirigido por Pavan Ramdya, tienen como objetivo replicar el funcionamiento del cerebro de la mosca de la fruta común, Drosophila melanogaster. Hablamos con Ramdya sobre las emocionantes perspectivas de la robótica.
En la pantalla, blanca sobre un fondo negro, una mosca se magnifica miles de veces y camina tranquilamente a través de una superficie esférica en sus seis patas. “Mira, en un segundo hará el moonwalk.” Estamos en el corazón de la Laboratorio de Neuroingeniería EPFL – Cátedra Firmenich de Próxima Generación en Neurobiología dirigido por Pavan Ramdya, y un investigador postdoctoral, Maite Azcorra. Ella brilla pequeños pulsos enfocados de luz láser sobre la marcha utilizando una técnica conocida como optogenética, que utiliza la luz para activar neuronas específicas. Como si estuviera al mando, la mosca mueve sus piernas hacia atrás. Y se parece a un baile.
El grupo de investigación de 14 personas de Ramdyahys ha estado estudiando el sistema nervioso de estos insectos de dos milímetros de largo desde 2017. “Maite actualmente está estudiando cómo las neuronas que descienden del cerebro controlan las funciones motoras,” dice Ramdya. El grupo espera eventualmente realizar ingeniería inversa del cerebro de los volantes y modelarlo para la robótica. Un gran paso adelante fue el desarrollo de un gemelo digital que los investigadores pueden usar para simular con precisión los comportamientos de un vuelo; otro era un importante avance para comprender cómo las redes neuronales convierten las señales cerebrales en movimientos coordinados. Nos sentamos en la oficina del neurocientífico nacido en Nueva York para hablar sobre su trabajo.
¿Puede describir la idea general detrás de su programa de investigación?
Los humanos han estado tratando durante siglos de construir máquinas que puedan comportarse como animales o personas. En la antigua Grecia, por ejemplo, las marionetas automatizadas eran bastante comunes – estos eran objetos simples pero ya eran una forma de biomimética, ya que imitaban cómo se mueve un cuerpo real. Esa es la misma idea que estamos persiguiendo aquí, excepto que utilizamos métodos y sistemas mucho más avanzados que realmente pueden biomiméticos animales como la mosca de la fruta.
Por qué estás estudiando Drosophila melanogaster ¿específicamente?
Hay animales más complicados, por supuesto, como los mamíferos, pero son más difíciles de estudiar. Y hay otros más simples como C.elegans , un gusano con sólo alrededor de 300 neuronas [las moscas tienen alrededor de 100.000 y los seres humanos tienen aproximadamente 86 mil millones], pero no podemos aprender tanto sobre el comportamiento de ellos. A diferencia de los gusanos, las moscas tienen piernas, y hacen mucho con ellas – caminar, limpiarse, manipular obstáculos y más. Es mucho más interesante para aplicaciones en robótica y neuroprótesis saber cómo funciona una criatura con alas y piernas. Son especímenes perfectos desde esa perspectiva: lo suficientemente simples como para estudiar, pero lo suficientemente complejos como para ofrecer muchas ideas.
En tu reciente charla TEDx»dijiste que en el futuro los robots utilizados para explorar y colonizar nuevos planetas podrían parecerse mucho a estas moscas.
Sí, los robots para la exploración espacial tendrán que completar numerosas tareas por su cuenta y tomar decisiones de forma autónoma mientras se mueven en entornos desconocidos y hostiles. Los ingenieros han estado trabajando para construir tales robots durante décadas, pero por ahora, incluso las máquinas más sofisticadas no tienen cerca de la agilidad de la mosca de la fruta. Las moscas pueden hacer cosas increíbles. No solo pueden volar, sino que también son extremadamente estables debido a sus seis patas. Pueden moverse en las tres dimensiones mientras realizan otras tareas con sus piernas. ¡Son una fuente importante de inspiración!
¿Cómo podría el trabajo que estás haciendo influir en el desarrollo de la robótica y la IA?
Muchos ingenieros están trabajando en el lado del hardware de los robots –, por ejemplo, baterías y motores. Ese no es nuestro enfoque. Weirre busca diseñar sus controladores. Con la idea de desarrollar una mosca robótica, nuestro principal punto de interés es entender cómo puede controlar sus extremidades. Es por eso que estamos estudiando el sistema nervioso de las moscas de la fruta – para obtener información que nos ayudará a desarrollar redes neuronales que se pueden usar en robótica e IA. Iird también señala que los robots que usan estos controladores no tienen que ser del tamaño de una mosca. Siempre que se escale adecuadamente, pueden ser de cualquier tamaño – incluso tan grandes como una casa, ¡aunque eso sería un poco aterrador!
Pero su investigación también incluye otros aspectos.
Eso es correcto. Una característica única de las moscas es que sus piernas están cubiertas con sensores mecánicos. ¿Cómo usan las moscas toda la información que recopilan para comprender su entorno y detectar objetos a su alrededor? ¿Cómo deciden cuándo levantar una o más de sus piernas sobre obstáculos? Esos son los tipos de preguntas que queremos responder. Y para hacer eso, estamos tratando de desarrollar materiales modelados después de la cutícula de mosca con sensores integrados que se pueden usar en robots.
Muchos expertos en robótica e IA han dicho que para crear máquinas realmente capaces de aprender, las máquinas deben tener cuerpos que puedan moverse y explorar su entorno.
Sí, eso es una teoría central sostenida por científicos que estudian la neurobiología y el comportamiento. Y también debería ser una teoría central en la IA, ya que los animales pueden comportarse de manera más flexible que los robots. Los ingenieros que trabajan en el aprendizaje automático a menudo señalan que los bebés humanos se mueven constantemente y tocan cosas, explorando su entorno para aprender sobre el mundo que los rodea. Este proceso es mucho más efectivo que si acabáramos de presentarles videos de su entorno. Los sensores que mencioné anteriormente – los de las moscas – también sirven para este propósito.
¿Cuáles son actualmente los mayores obstáculos para desarrollar sistemas que puedan aprender explorando su entorno?
Un obstáculo es crear algoritmos que puedan procesar datos sensoriales. Si pueden contextualizar estos datos, sería muy difícil para las máquinas aprender a aprender los comportamientos apropiados. Es importante enfatizar que la solución existe – simplemente está oculta en los sistemas nerviosos animals’. Eso es lo que estamos tratando de descubrir. En lugar de pasar décadas intentando diseñar una solución desde cero, ¿por qué no mirar lo que ya existe en las moscas?
¿Será necesariamente un enfoque más fácil y rápido?
Lo que probablemente necesitaremos es una combinación de diferentes enfoques. Especialmente porque los animales tienen muchas limitaciones y objetivos que no son relevantes para nuestros propósitos. Por ejemplo, los robots no necesitan poder reproducirse o defecar. Es por eso que también debemos incluir biólogos en nuestro trabajo y no solo ingenieros. Son más capaces de saber qué partes de un organismo podemos ignorar, como las neuronas utilizadas para evacuar los alimentos, para que los ingenieros no se centren en ellas. Un enfoque interdisciplinario es esencial para el trabajo que estamos haciendo.
¿Es el objetivo mapear eventualmente el cerebro humano?
Tendré que darte una respuesta egoísta: para mí, personalmente, eso no es mi objetivo. Tengo alrededor de 40 años más para vivir si tengo suerte, y a Iiand realmente le gusta ver grandes avances en mi vida que podrían mostrar cómo funcionan los sistemas biológicos. Eso parece posible con la mosca de la fruta, pero sería mucho más complicado para el cerebro humano. Tal vez sea solo una cuestión de escala – tal vez simplemente necesitamos tomar un cerebro de moscas y multiplicarlo por un millón. Eso podría darnos algo inteligente y sin duda sería muy interesante. Pero no estoy seguro de que capturaría la inteligencia humana. No creo que podamos usar exactamente el mismo enfoque para el cerebro humano que para la mosca de la fruta, porque tomaría demasiado tiempo.
¿En qué se diferencia su enfoque de la neurociencia del de otros neurocientíficos?
En neurociencia, Iird dice que más del 99% de las personas están trabajando en temas relacionados con la salud humana y la medicina. La mayoría de los estudios que examinan cómo la neurociencia puede informar el tratamiento de una enfermedad, por ejemplo, se llevan a cabo utilizando ratones o ratas, porque son mamíferos como nosotros. Creo que lo que está haciendo nuestro grupo de investigación puede cambiar las perspectivas de las personas de dos maneras. Primero, observamos la neurociencia no solo en términos de salud humana, sino más bien en cómo se puede aplicar en robótica para construir máquinas de nuevas maneras. Y en segundo lugar, llamamos la atención sobre la fracción más pequeña de neurocientíficos que estudian insectos. Debemos tener en cuenta que muchos de los insectos en nuestro planeta están bajo amenaza. Mire a las abejas y el importante papel que desempeñan en la polinización. Es un tema crítico. Las moscas de la fruta son una especie amenazada, pero pueden proporcionar información sobre las que sonayudar a apoyar los esfuerzos de conservación. Esto puede alentar a las personas a ver el mundo desde una perspectiva más ecosistémica y apreciar la contribución vital hecha por la biodiversidad. EPFL News. Traducido al español
