Neuroni artificiali e medicina: prospettive future

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La fusione tra uomo e macchina è un punto fermo della fantascienza e il cuore della filosofia del transumanesimo. Tuttavia la possibilità che si possa connettere  cervello e computer si sta rivelando incredibilmente difficile, nonostante il fatto che entrambi funzionino essenzialmente ad impulsi elettrici.

Le proprietà elettriche delle cellule biologiche sono state a lungo studiate. La difficoltà di misurare i parametri microscopici che controllano la dinamica delle correnti ioniche  ha ostacolato finora gli sforzi per costruire modelli quantitativi computazionali e successivamente dispositivi neuromorfici che replichino l’esatta risposta di un neurone biologico.

Sebbene siano stati proposti neuroni di silicio, sinapsi e reti ispirate al cervello, questi progetti non sono sono ancora in grado di emulare il reale funzionamento di un cervello.

La crescente attenzione alla bioelettronica impiantabile per il trattamento delle malattie croniche si sta proponendo come nuova urgenza e la necessità di dispositivi analogici si fa sempre più impellente. L’elettronica analogica si profila come il modo più promettente per integrare istantaneamente gli stimoli nervosi grezzi.

Immaginate, per esempio, se una lesione cerebrale potesse essere riparata con un chip di computer. Sarebbe fantastico no? Questo scenario  potrebbe comunque non essere troppo lontano; a dicembre 2019, i ricercatori hanno riferito di aver messo a punto un neurone che imita accuratamente il comportamento delle cellule nervose biologiche. In un articolo su Nature Communications, il team ha rivelato che i dispositivi potrebbero un domani essere collegati ai circuiti neurali biologici per riparare danni o malattie.

“Finora i neuroni sono stati come scatole nere, ma siamo riusciti ad aprire la scatola nera e ad aprirne l’interno”, ha detto il capo progetto Alain Nogaret, dell’Università di Bath nel Regno Unito, in un comunicato stampa. “Il nostro lavoro sta cambiando paradigma perché fornisce un metodo robusto per riprodurre le proprietà elettriche dei neuroni reali nei minimi dettagli”.

Uno dei motivi principali per cui è stato così difficile replicare accuratamente il comportamento dei neuroni nel silicio è che il modo in cui rispondono agli stimoli non è lineare. In altre parole, un segnale due volte più forte non necessariamente susciterà una risposta due volte più forte.

I ricercatori hanno risolto il problema raccogliendo dati da due tipi di neuroni di ratto. Il primo proviene dalla regione dell’ippocampo del cervello, che è coinvolto nell’apprendimento e nella memoria, e il secondo dal centro respiratorio, che controlla la respirazione.

Hanno usato questi dati per stimare i parametri che controllano il flusso di ioni attraverso i neuroni e poi hanno usato questi parametri per creare un modello che spiega come i neuroni rispondono agli stimoli provenienti da altri nervi. Hanno poi usato quel modello per costruire chip analogici di silicio che modellano accuratamente il comportamento dei neuroni reali.

Per testare i loro chip, li hanno sottoposti a 60 diversi protocolli di stimolazione e hanno confrontato le loro risposte a quelle viste nei neuroni dell’ippocampo dei ratti e del tronco cerebrale. I chip hanno raggiunto una precisione del 94 per cento.

Criticamente, i neuroni bionici utilizzano solo 140 nanoWatt di potenza, un miliardesimo della quantità di un normale microprocessore, il che li rende molto più pratici per applicazioni a lungo termine all’interno del corpo.

I ricercatori hanno già avviato una società chiamata Ceryx per iniziare a sviluppare un pacemaker intelligente che utilizza i neuroni bionici per rispondere ai segnali piuttosto che fornire semplicemente un battito costante come un normale pacemaker. Ma dicono che il loro approccio è generico e potrebbe essere usato per replicare qualsiasi tipo di neurone del corpo.

Questo potrebbe rendere possibile la riparazione di circuiti difettosi che causano condizioni come l’insufficienza cardiaca e l’apnea del sonno, ma potrebbe anche potenzialmente sostituire i nervi danneggiati causati da lesioni spinali o aiutare a collegare gli arti robotici al sistema nervoso delle persone, hanno detto i ricercatori a The Guardian.