Il neurone artificiale che funziona come una vera cellula (o quasi)

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(Credits: University of Bath)

Riprodurre le proprietà elettriche di un neurone all’interno di un chip in silicio. È quanto hanno fatto ricercatori dell’Università di Bath mettendo a punto il Neurone a Stato Solido (SSN, Solid-State Neuron), un dispositivo costruito per replicare abbastanza bene il comportamento dei neuroni biologici. I dettagli della ricerca su Nature Communications.

Capire i neuroni

I neuroni sono cellule complesse specializzate in grado di ricevere, trasmette e elaborare gli impulsi elettrici. È grazie a questo meccanismo che riescono a trasmettere le informazioni che viaggiano nel sistema nervoso. La ricerca da tempo mira a riprodurre dei neuroni artificiali in grado di rispondere agli stimoli elettrici in maniera identica a quella dei neuroni biologici, perché permetterebbe di avere a disposizione degli strumenti da mettere in campo contro malattie con danni al tessuto nervoso. Farlo però è tutt’altro che semplice. I neuroni, infatti, rispondono agli impulsi in modi complessi e non lineari, rendendo problematico prevederne il comportamento. La squadra guidata da Alain Nogaret, però, ha calcolato e derivato le equazioni che descrivono come queste cellule rispondono agli stimoli elettrici nervosi, per poi cercare di replicare tutto questo.

Il neurone bionico

Il team ha progettato un modello fisico del neurone artificiale, sviluppando un chip in silicio che riproduce i canali ionici, ovvero i minuscoli passaggi che in una cellula gestiscono il traffico delle particelle cariche elettricamente. Successivamente, i ricercatori sono riusciti a replicare le dinamiche dei neuroni respiratori e dell’ippocampo di un ratto, utilizzando i dati forniti dalle equazioni e il microchip come modello del neurone. Il Neurone a Stato Solido ha risposto ai numerosi e differenti stimoli a cui è stato sottoposto, in maniera quasi totalmente identica a quella di un neurone biologico.

A cosa serve un neurone artificiale?

Nel progettare il Neurone a Stato Solido i ricercatori ci hanno fornito sia i parametri che controllano il comportamento dei neuroni, sia dei modelli fisici in grado di riprodurre questi comportamenti. Il neurone artificiale, inoltre, consuma solo 140 nanoWatts (circa un miliardesimo di quanto consumano i prototipi sviluppati in precedenza). Questi neuroni artificiali potrebbero aiutare, cerrto se resi compatibili e sicuri, a riparare circuiti danneggiati replicando il loro funzionamento, spiegano i ricercatori. Il SSN, per esempio, potrebbe trovare applicazioni in cardiologia, riparando i neuroni il cui malfunzionamento caratterizza l’insufficienza cardiaca, o sviluppando dei pacemaker capaci di adattare il battito cardiaco alla situazione invece che a un ritmo prestabilito, replicando le risposte delle cellule nervose di un cuore sano. Ma non è escluso che simili sistemi possano aiutare anche a combattere malattie neurodegenerative come l’Alzheimer.

Riferimenti: Nature Communications