Un sistema elettronico che imita i segnali cerebrali
Ricercatori dell’Università del Massachusetts hanno messo a punto un sistema elettronico capace di replicare i segnali del cervello e di funzionare in ambienti umidi, del tutto simili a quelli in cui operano le vere cellule nervose.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Communications, descrive un dispositivo che potrebbe rivoluzionare sia il trattamento delle malattie neurologiche sia la progettazione di elettronica ispirata al cervello. Il segreto del successo? Nanofibre proteiche prodotte da batteri, che agiscono come conduttori naturali tra l’elettronica e il tessuto vivente.
Il cervello è una fitta rete composta da circa 100 miliardi di neuroni, cellule nervose specializzate nella trasmissione delle informazioni. Ogni neurone è formato da tre parti principali: il corpo cellulare, i dendriti e l’assone. I dendriti raccolgono i segnali dalle cellule vicine, il corpo li elabora e l’assone li trasmette come impulso elettrico verso altri neuroni.
In una frazione di secondo, milioni di questi impulsi attraversano il cervello, governando tutto: dal movimento alle emozioni, fino alla memoria. Quando i neuroni smettono di funzionare o muoiono, il problema diventa serio. A differenza di molti altri tipi di cellule, i neuroni non si rigenerano facilmente — una volta perduti, scompaiono per sempre.
Perché i neuroni sono così fragili e difficili da sostituire
Il danno alla rete nervosa può avere conseguenze gravissime. La disfunzione neuronale è alla base di un ampio spettro di disturbi, dai problemi motori alle alterazioni della percezione e del pensiero. I neuroni persi, nella maggior parte dei casi, non possono essere rigenerati.
Le aree più critiche interessate dalla perdita neuronale includono:
- disturbi del movimento come il morbo di Parkinson
- alterazioni della percezione sensoriale
- gravi problemi di memoria tipici del morbo di Alzheimer
- compromissione del coordinamento tra le diverse aree cerebrali
- perdita della capacità di apprendere nuove abilità
- difficoltà nel riconoscimento di volti e oggetti
Per queste ragioni, la neurologia e l’ingegneria biomedica cercano da anni un modo per proteggere o sostituire i neuroni danneggiati. Particolarmente prezioso sarebbe un dispositivo in grado di imitare la funzione neuronale con tale fedeltà da essere “accettato” dal cervello come parte integrante di sé.
I ricercatori sottolineano un punto cruciale: non basta costruire un’elettronica che assomigli a un neurone. Ciò che conta davvero è che riesca a comunicare con la stessa modalità e la stessa intensità di una cellula nervosa biologica — altrimenti il corpo la rigetta o semplicemente non reagisce nel modo corretto.
Cosa significa integrazione neuromorfìca
Il nuovo neurone artificiale del Massachusetts si inserisce in una tendenza più ampia chiamata integrazione neuromorfìca. Si tratta di progettare circuiti elettronici che riproducano fedelmente la struttura e il comportamento di neuroni e sinapsi. Anziché elaborare i dati in modo lineare come i processori tradizionali, i circuiti neuromorfici cercano di funzionare come il cervello: in parallelo, con un consumo energetico ridotto e attraverso brevi impulsi.
Nei laboratori di tutto il mondo si sviluppano chip speciali, sinapsi artificiali e nuovi tipi di transistor capaci di apprendere e adattarsi. I tentativi precedenti, però, si sono spesso scontrati con una scarsa compatibilità biologica. I dispositivi funzionavano in ambienti troppo secchi e sterili, oppure emettevano segnali elettrici talmente potenti da non accordarsi con la delicata chimica del cervello.
Il team dell’Università del Massachusetts afferma di aver abbattuto queste barriere. Il loro neurone artificiale comunica con un neurone reale in modo molto vicino a quello naturale e opera in un ambiente umido analogo a quello delle cellule nervose.
Nanofibre proteiche: il ponte tra elettronica e tessuto vivente
La chiave di volta si è rivelata essere le nanofibre proteiche, microscopici conduttori prodotti da batteri. In natura, queste fibre aiutano i batteri ad aderire alle superfici e a scambiare elettroni con l’ambiente circostante. I ricercatori hanno sfruttato questa proprietà per costruire una struttura conduttiva immergibile in una soluzione simile al liquido che circonda i neuroni.
Queste nanofibre proteiche agiscono come sottili conduttori naturali che “comprendono” sia l’elettronica sia il tessuto vivente allo stesso tempo. Sono quindi in grado di mediare la comunicazione in entrambe le direzioni, senza ricorrere ad aggressive elettrode metalliche che spesso danneggiano le cellule circostanti.
Questa caratteristica è importante per due motivi. In primo luogo, il neurone artificiale può coesistere fisicamente con le cellule nervose senza richiedere un ambiente secco e sterile come molti circuiti tradizionali. In secondo luogo, è abbastanza sensibile da operare a tensioni vicine a quelle generate dal nostro cervello, ossia circa 0,1 volt.
Le costruzioni precedenti di neuroni artificiali necessitavano di tensioni fino a dieci volte superiori a quelle delle cellule nervose naturali. Ciò si traduceva in un consumo energetico cento volte maggiore e in un segnale troppo potente a cui la biologia non riusciva a rispondere correttamente. Uno dei ricercatori ha paragonato la situazione a qualcuno che urla con un megafono in una sala silenziosa. Il nuovo dispositivo, al contrario, si comporta come una persona che parla sottovoce adattando il tono all’ambiente.
Grazie a ciò, il neurone artificiale non sovrasta il sistema biologico, ma collabora davvero con esso. Per la prima volta abbiamo la possibilità di una comunicazione genuinamente bidirezionale: l’elettronica legge i segnali dal neurone e gli risponde in un “linguaggio” che esso comprende.
Come questa tecnologia può trasformare la medicina e l’elettronica
La creazione di un singolo neurone artificiale non significa che domani esisterà una corteccia cerebrale artificiale pienamente funzionante. La direzione, però, è chiara: quanto più impariamo a costruire i singoli componenti, tanto più sarà facile collegarli in reti più ampie. I ricercatori individuano diverse possibili applicazioni.
I potenziali utilizzi includono:
- una nuova generazione di impianti neurologici più precisi e meno invasivi
- la sostituzione di aree cerebrali danneggiate con neuroni artificiali che ne ereditino le funzioni
- processori neuromorfici ispirati al cervello, molto più efficienti dei classici CPU e GPU
- interfacce cervello-computer più raffinate rispetto alle attuali elettrode metalliche
- dispositivi medici miniaturizzati indossabili all’interno del corpo per molti anni
- sistemi di monitoraggio dell’attività cerebrale in tempo reale
- strumenti terapeutici per pazienti affetti da Parkinson o Alzheimer
Se questi circuiti operano a tensioni vicine a quelle biologiche, aprono la strada a dispositivi sanitari miniaturizzati ed energeticamente efficienti. Minore è la tensione e il consumo di energia, più ci avviciniamo a un’elettronica che funziona come un tessuto e non come un corpo estraneo.
I ricercatori dell’Università del Massachusetts sottolineano che questa tecnologia potrebbe trasformare radicalmente la terapia delle malattie neurodegenerative. Invece di limitarsi ad attenuare i sintomi, i medici avrebbero la possibilità di ripristinare parzialmente le funzioni dei neuroni perduti, restituendo ai pazienti una parte dell’autonomia smarrita.
Prossimi passi e sfide future
Per ora disponiamo di un singolo elemento che si comporta in modo promettente in condizioni di laboratorio. Le sfide successive sono evidenti: occorre verificare la stabilità a lungo termine di questo neurone, la sua resistenza alle variazioni di temperatura, alle fluttuazioni chimiche e la sua capacità di integrarsi in una rete con altre cellule.
I ricercatori dovranno anche stabilire il modo migliore per collegare un gran numero di questi neuroni artificiali al tessuto vivente: quanti ne servono, con quale configurazione, come controllarne l’apprendimento. In gioco non c’è solo l’ingegneria, ma anche l’etica. Le domande sui limiti degli interventi sul cervello diventeranno sempre più urgenti.
Se la tecnologia approderà alle applicazioni mediche, i pazienti affetti da Parkinson o Alzheimer potrebbero disporre di strumenti terapeutici del tutto nuovi. Le interfacce che collegano il cervello all’elettronica hanno sempre generato una tensione tra fascino e preoccupazione. Da un lato attraggono con la visione del ripristino delle funzioni perdute, dall’altro obbligano a riflettere sui limiti della modificazione umana e su chi gestirà dati così sensibili come l’attività neuronale.
Vale la pena ricordare che i neuroni non sono semplici cavi che trasmettono impulsi. Ogni cellula possiede una propria chimica, un proprio metabolismo e risponde a ormoni e sostanze provenienti dall’ambiente circostante. Un neurone artificiale — per quanto avanzato — imita per ora principalmente il livello elettrico. Per questo motivo rimarrà a lungo un supporto e una protesi, piuttosto che un sostituto completo del tessuto vivente.
Per chi segue l’evoluzione dell’intelligenza artificiale, questo tema può sembrare distante. Esiste tuttavia un ponte interessante: il machine learning e le reti neurali informatiche si ispirano alla biologia solo in senso simbolico. L’integrazione neuromorfìca tenta invece di avvicinarsi al vero cervello dal lato dell’hardware. Se questi due filoni cominceranno a convergere, potremmo assistere alla nascita di dispositivi intelligenti di tipo completamente nuovo — non solo veloci e sofisticati, ma anche più affini al funzionamento del nostro stesso sistema nervoso.
