Dai laboratori dell’Università di Bath, nel Regno Unito, è stato appena fatto un passo in avanti storico nella cura delle malattie croniche: per la prima volta al mondo i ricercatori sono riusciti a sviluppare neuroni artificiali che si comportano proprio come quelli reali. Un risultato, appena pubblicato su Nature Communications, unico nel suo genere che offre un enorme potenziale per futuri dispositivi medici in grado un giorno di curare patologie come per esempio l’insufficienza cardiaca, la malattia di Alzheimer e altre malattie neurodegenerative.

Per decenni la comunità scientifica ha avuto come obiettivo proprio quello di creare neuroni artificiali che fossero in grado di rispondere ai segnali elettrici del sistema nervoso in modo simile a come fanno i neuroni reali. Un obbiettivo fondamentale per riuscire curare tutte quelle malattie in cui i neuroni non funzionano correttamente. Nell’insufficienza cardiaca, per esempio, i neuroni alla base del cervello non rispondono correttamente al feedback del sistema nervoso, e non inviano di conseguenza i segnali giusti al cuore, che non pompa come dovrebbe. Tuttavia, finora lo sviluppo dei neuroni artificiali è stata una sfida a dir poco immensa a causa delle risposte neuronali difficili da prevedere. In altre parole, è davvero complicato capire in che modo i neuroni rispondono agli stimoli elettrici, poiché le loro risposte non sono “lineari”: se un segnale elettrico diventa due volte più forte, per esempio, non è detto che susciti una reazione del neurone doppia.

neuroni artificiali
(foto: University of Bath)

Per mettere a punto i neuroni artificiali, il team di ricercatori dell’università di Bath in collaborazione con quelli dell’università Bristol, Zurigo e Auckland si sono quindi serviti di una combinazioni di modelli matematici e informatica per progettare chip di silicio che riuscissero a replicare ciò che le cellule nervose fanno naturalmente. Riuscendo per la prima volta a dimostrare che i loro neuroni artificiali imitavano con precisione quelli reali, rispondendo a una serie di stimolazioni. Replicando la dinamica completa dei neuroni dell’ippocampo e di quelli respiratori in un gruppo di topi, hanno dimostrato che i neuroni artificiali non solo si comportano proprio come i neuroni biologici, ma hanno bisogno solo di un miliardesimo della potenza di un microprocessore, rendendoli ideali per l’uso in impianti e dispositivi medici.

“Fino ad ora i neuroni sono stati come scatole nere, ma ora siamo riusciti ad aprire queste scatole e scrutare al loro interno”, spiega Alain Nogaret, fisico dell’università di Bath. “Il nostro lavoro non solo fornisce un metodo per riprodurre nei minimi dettagli le proprietà elettriche dei neuroni reali, ma dimostra anche che i nostri neuroni hanno bisogno solo di 140 nanoWatt di potenza, ossia un miliardesimo del fabbisogno energetico di un microprocessore, che altri tentativi di usare i neuroni sintetici hanno utilizzato”.

I ricercatori stanno ora già provando a sviluppare un pacemaker intelligente che non solo stimola il cuore a pompare a un ritmo costante, ma usa i neuroni artificiali per rispondere in tempo reale alle richieste del cuore (che è ciò che succede naturalmente in un cuore sano). “Il nostro approccio combina diverse scoperte. Siamo stati in grado di stimare i parametri precisi che controllano il comportamento di qualsiasi neurone con elevata precisione e abbiamo creato un chip capace di imitare con successo il comportamento dei veri neuroni”, concludono i ricercatori. “La nostra terza svolta è la versatilità del nostro modello che consente l’applicazione dei neuroni artificiali per diversi tipi e funzioni dei neuroni reali”.

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