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15.05.2020 - 08:000

Il primo cervello “ibrido” connesso tramite internet

Un team di scienziati ha fatto comunicare via internet una rete neuronale formata da elementi biologici e artificiali

Il progetto Synch

Da anni ormai i ricercatori scientifici di tutto il mondo stanno tentando di mettere in connessione l’uomo con la macchina. Il problema però è che vi è una sostanziale differenza tra neuroni e transistor elettronici. I neuroni, ad esempio, sono molto più complessi e oltre ad elaborare le informazioni possono anche immagazzinarle. Poi, le comunicazioni tra neuroni sono velocissime e sono “altamente parallele”, visto che ogni neurone ha tra 5.000 e 100.000 sinapsi, cioè collegamenti attraverso i quali scambia impulsi elettrici con i neuroni vicini.
Se si considera allora il fatto che un cervello umano ha circa 80 miliardi di neuroni, si può ben capire che creare un cervello artificiale che funzioni come quello naturale rappresenta una sfida a dir poco ardua. Eppure, una soluzione a questo problema forse potrà venire dal progetto “Synch”, frutto di uno studio congiunto delle Università di Padova, di Zurigo e di Southampton.
Nel dettaglio, il progetto Synch ha visto la creazione di una connessione tra tre neuroni, di cui uno biologico e due artificiali. Questi tre neuroni sono stati collegati in una rete tramite sottilissimi elementi di dimensioni nanometriche chiamati “memristori”, praticamente delle sinapsi artificiali.
«Abbiamo creato per la prima volta una rete ibrida elementare dove tre neuroni, uno biologico e due artificiali, sono stati collegati in una rete tramite connessioni memristive ispirate alle sinapsi», ha spiegato Stefano Vassanelli del Dipartimento di Scienze Biomediche dell’Università di Padova, commentando i risultati ottenuti da questa ricerca di caratura internazionale da lui coordinata e da poco pubblicata su Nature Scientific Reports.
Una delle caratteristiche fondamentali di tale ricerca è che i neuroni sono stati messi in comunicazione tramite internet. Infatti, i neuroni biologici sono stati selezionati a Padova dal cervello dei ratti, i neuroni artificiali sono stati prodotti a Zurigo, mentre i memristori sono stati prodotti a Southampton. La ricerca quindi è il risultato di un incrocio di discipline molto diverse tra loro come le neuroscienze, le scienze computazionali e la micro e nanoelettronica.

I memristori e il funzionamento della rete ibrida di neuroni

La chiave fondamentale di tutta la ricerca è sicuramente rappresentata dai memristori. Nello specifico, un memristore è un componente elettronico passivo, allo stesso modo del condensatore, dell'induttore e del resistore. La differenza con questi sta però nel fatto che, in caso di mancanza di corrente elettrica, il memristore ha la capacità di ricordare e mantenere il suo ultimo stato elettronico.
Un memristore, quindi, allo stesso modo dei neuroni, è in grado di conservare un pezzetto di informazione e può anche comunicarlo all’esterno in forma analogica. Ciò gli consente di archiviare e trasmettere molte più informazioni di un normale circuito digitale che, come è ben noto, può rappresentare solo due stati, cioè 0 o 1, acceso o spento. Queste sono le importanti caratteristiche per cui il memristore è stato scelto dai ricercatori del progetto Synch per realizzare una rete ibrida di neuroni artificiali e biologici che comunicano tra loro.
In questa rete ibrida di neuroni biologici e artificiali i memristori fanno sostanzialmente da ponte tra i due. Ad esempio, una rete di neuroni artificiali integrata in un microchip è stata connessa ai neuroni di un cervello di ratto, coltivati su un microchip, tramite due memristori. Si può quindi dire che il memristore trasmette gli impulsi nervosi e li elabora come farebbe una vera sinapsi. Il neurone cerebrale, a sua volta, comunica tramite un memristore con un secondo neurone artificiale, formando una rete ibrida di tre neuroni, ovvero due artificiali e uno biologico.
Nell’esperimento effettuato, essendo i neuroni dislocati in posti distanti tra loro, gli impulsi sono stati trasmessi via internet creando così una rete geograficamente distribuita.

Sviluppi futuri della ricerca

Questo innovativo studio rappresenta solo un primo passo e sarà necessario creare reti sempre più complesse e resistenti prima di poter trovare un’applicazione di tale tecnologia. Ma se le prossime sperimentazioni condurranno agli esiti auspicati, gli scienziati sperano già che si potranno utilizzare tali reti ibride per sostituire parti del cervello danneggiate, o assisterle nel recupero funzionale dopo un trauma grave. Inoltre, potranno essere usate nel trattamento di malattie legate alla sfera neuromotoria, ma anche per la creazione e lo sviluppo di sistemi di interazione fra uomo e macchine.
Ed è proprio in questo che consiste lo scopo finale dell’intero progetto Synch, un progetto finanziato dalla Commissione Europea tramite il programma Future and Emerging Technologies (FET), ora European Innovation Council. Lo studio è gestito da un omonimo consorzio coordinato da Vassanelli e che vede, tra i partecipanti, anche altri enti pubblici e società private. «Prevediamo che questa tecnologia sarà la base per dispositivi impiantabili in cui i neuroni artificiali su chip possono salvare le disfunzioni delle reti cerebrali che sono danneggiate da lesioni, come un ictus, o da malattie neurologiche, come il morbo di Parkinson», hanno spiegato i ricercatori.

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