Gli ingegneri hanno raggiunto un traguardo significativo nel campo della bioelettronica sviluppando neuroni artificiali stampati che possono “parlare” con le cellule biologiche di un cervello vivente. Questa svolta, recentemente pubblicata su Nature Nanotechnology, offre una potenziale tabella di marcia per due campi di trasformazione: il calcolo neuromorfico altamente efficiente e le interfacce cervello-computer (BCI) avanzate.
La sfida: perché il silicio danneggia il cervello
Per capire perché questa scoperta è importante, bisogna considerare la fondamentale incompatibilità tra la tecnologia attuale e la biologia umana.
L’informatica tradizionale si basa su chip di silicio: strutture rigide e bidimensionali costituite da transistor fissi. Al contrario, il cervello umano è una matrice 3D dinamica di cellule flessibili. I neuroni biologici sono in continua evoluzione; le loro connessioni si rafforzano con l’uso e svaniscono se trascurate.
Le attuali interfacce cervello-computer spesso hanno difficoltà perché tentano di comunicare con il delicato tessuto neurale utilizzando impulsi elettrici “grezzi” che non corrispondono al linguaggio naturale del cervello. Questa mancata corrispondenza può portare a una scarsa integrazione e a funzionalità limitate.
L’innovazione: imitare lo “spike”
I precedenti tentativi di creare neuroni artificiali generalmente rientravano in due campi:
1. Materiali organici morbidi (come i gel): imitano la struttura del cervello ma sono spesso troppo lenti per corrispondere alla segnalazione neurale.
2. Ossidi di metalli duri: sono abbastanza veloci ma mancano della sfumatura biologica.
Il gruppo di ricerca, guidato da Mark Hersam della Northwestern University, ha aggirato questo dilemma utilizzando inchiostri stampabili contenenti bisolfuro di molibdeno (un semiconduttore) e grafene (un conduttore) su un substrato polimerico flessibile.
Sebbene i polimeri siano generalmente visti come ostacoli al flusso elettrico, il team ha scoperto che potrebbero essere utilizzati a proprio vantaggio. Controllando con precisione il modo in cui il polimero si riscalda e si decompone parzialmente, hanno creato minuscoli “filamenti di energia”. Ciò consente al dispositivo di produrre un “ritorno di resistenza differenziale negativa” : un’esplosione improvvisa e un successivo calo di energia che imita da vicino il modo in cui un vero neurone “si attiva”.
Dimostrare la connessione
Per testare l’efficacia di queste cellule prodotte in laboratorio, i ricercatori hanno posizionato i neuroni artificiali accanto a fette di tessuto cerebrale di topo. I risultati sono stati molto incoraggianti: i neuroni biologici hanno risposto ai segnali artificiali allo stesso ritmo con cui avrebbero risposto a quelli naturali. Ciò suggerisce che il cervello può effettivamente “decodificare” questi segnali sintetici come se fossero di origine biologica.
Orizzonti futuri e ostacoli rimanenti
Le implicazioni di questa tecnologia sono vaste e vanno dalle scoperte mediche e computazionali a:
– Calcolo neuromorfico: creazione di hardware IA che imita l’architettura del cervello, riducendo drasticamente il massiccio consumo di energia richiesto dall’attuale IA digitale.
– Protesi mediche: sviluppo di interfacce più fluide per controllare arti robotici o dispositivi di assistenza.
– Neurorigenerazione: utilizzo potenziale di neuroni artificiali per sostituire le cellule danneggiate in pazienti affetti da malattie degenerative come l’Alzheimer.
La strada da percorrere
Nonostante questi progressi, gli esperti avvertono che non siamo ancora pronti per gli impianti cerebrali permanenti. Timothée Levi, professore di bioelettronica, osserva che mentre possiamo controllare questi neuroni per brevi periodi, la stabilità a lungo termine rimane un grosso ostacolo.
Inoltre, un singolo neurone è solo un pezzo del puzzle. Il “problema di frontiera” che devono affrontare gli scienziati è l’integrazione. Per replicare veramente il cervello, i ricercatori devono capire come collegare insieme questi neuroni artificiali attraverso le sinapsi artificiali per creare circuiti complessi e funzionanti.
“Abbiamo una serie di dispositivi che imitano diversi elementi del cervello, ma dobbiamo integrarli insieme in circuiti che raggiungano la piena funzionalità.” — Mark Hersam, Università Northwestern
Conclusione: Sebbene la capacità di sincronizzare i neuroni artificiali e biologici rappresenti un risultato fondamentale, la prossima grande sfida consiste nel collegare questi singoli componenti in reti neurali complesse e durature.
