Chip al silicio, che imitano le funzioni cerebrali

I ricercatori del MIT, hanno compiuto un enorme passo in avanti, proiettandosi  verso quell’obiettivo: la progettazione di un chip al silicio che emuli il comportamento dei neuroni del cervello al momento in cui ricevono un’informazione dettata da uno stimolo esterno.

Per decenni, gli scienziati hanno sognato di costruire sistemi di computer che potrebbero replicare le funzioni svolte dal cervello umano per l’apprendimento di nuovi compiti e per lo svolgimento delle sue mansioni.

Questo scambio di informazioni viene detto tecnicamente sinapsi. Questo fenomeno, noto come “plasticità neurale”, ovvero la possibilità dei neuroni di modificare le loro capacità di comunicare tra loro, sia alla base di molte funzioni cerebrali compresi l’apprendimento e la memoria.

Tale fenomeno può essere simulato utilizzando circa 400 transistor in grado di emulare l’attività di ogni singola sinapsi del cervello. I ricercatori ritengono che tale tecnologia possa essere di supporto ai neuroscenziati al fine di comprendere e imparare meglio il funzionamento del cervello. Potrebbe trovare largo utilizzo in dispositivi protesici come retine artificiali.

Canali ionici

Il cervello umano è costituito da un numero di cellule nervose che va da 10 a 100 miliardi, dette neuroni, che sono connessi tra loro da sinapsi. Questi sono i punti di congiunzione tra i neuroni presinaptici e postsinaptici.

Il neurone presinaptico rilascia neurotrasmettitori come il glutammato o GABA, che si legano ai recettori presenti sulla membrana cellulare postsinaptica attivando i canali ionici. Un canale ionico è una proteina trans-membrana che permette il passaggio selettivo di ioni  dall’esterno all’interno della cellula.

Vi sono canali attivi e canali passivi che consentono il passaggio di ioni secondo il gradiente di concentrazione  e, grazie ad esso, si genera una differenza di potenziale.

L’apertura e la chiusura di tali canali fa variare il potenziale elettrico della cella. Se tale fenomeno è molto marcato, la cellula emette un impulso elettrico detto potenziale d’azione. Quest’ultimo è quel fenomeno che si manifesta nei neuroni e che prevede un rapido cambiamento di carica tra l’interno e l’esterno della membrana cellulare.

La differenza di potenziale misurabile ai due lati della membrana cellulare di una cellula vivente è generalmente negativa. Il potenziale d’azione comporta una rapida inversione della differenza di potenziale dovuta all’ingresso nella cellula di ioni positivi attraverso specifiche proteine che fungono da canali.

Quest’attività sinaptica dipende dai canali ionici, che controllano il flusso di ioni quali sodio, potassio e calcio. I canali ionici costituiscono, tra l’altro, la chiave per due processi noti come potenziamento a lungo termine (LTP) e depressione a lungo termine (LDP).

Tali processi, rispettivamente, consistono, il primo in un aumento della forza della trasmissione sinaptica, che avviene con l’uso ripetitivo della stessa e che può durare fino ad alcuni minuti, il secondo, in stretto rapporto con la LTP riguarda fenomeni di elasticità sinaptica ed è inerente ai processi mnemonici e procedurali.

Chip al silicio

I ricercatori del MIT hanno progettato i loro chip al silicio in modo tale che i transistor riescano a imitare l’attività dei canali ionici. Mentre la maggior parte dei chip opera in modalità on/off, in questo nuovo tipo la corrente fluisce attraverso i transistor in analogico e non in digitale. Un gradiente di potenziale elettrico spinge la corrente ad attraversare i transistor così come gli ioni attraversano i canali ionici in una cellula.

Secondo lo scienziato Poon ormai si è in grado di indicare i parametri del circuito che corrisponde a specifici canali ionici. Si ha pertanto l’opportunità di catturare ogni processo ionico che avviene in un neurone.

In precedenza i ricercatori avevano costruito circuiti in grado di alimentare il potenziale d’azione. Tuttavia non erano riusciti a ricreare le circostanze che producessero tali potenziali. Il nuovo chip rappresenta un rilevante passo in avanti per integrare le conoscenze della biologia dei neuroni e la plasticità sinaptica su chip semiconduttori metallo ossido.

Nuove frontiere

I ricercatori del MIT prevedono, pertanto, di utilizzare taluni chip al silicio per costruire sistemi che svolgano specifiche funzioni neurali come il sistema di elaborazione visiva. Tali sistemi potrebbero essere addirittura molto più veloci rispetto ai computer digitali. Pur avendo delle alte capacità nei sistemi informatici spesso, ci vogliono ore, giorni per svolgere un semplice processo eseguito dal circuito cerebrale.

Con il sistema a chip analogico la simulazione è addirittura più veloce del sistema biologico stesso. Un’altra possibile applicazione è la costruzione di chip correlati a sistemi biologici. Ciò  consentirebbe la comunicazione tra neuroni e dispositivi protesici quali retine artificiali e cervello. Un ulteriore sviluppo di questi chip potrebbe spalancare le porte alla costruzione di dispositivi dotati di intelligenza artificiale.

“La linea di demarcazione tra finzione e realtà, tra trascendente e immanente sembra così diventare sempre più labile”