Creata una sinapsi artificiale con acqua e sale

Un traguardo rivoluzionario nel campo della neuroinformatica è stato raggiunto da un team di fisici teorici dell’Università di Utrecht, in collaborazione con colleghi sperimentali dell’Università di Sogang in Corea del Sud. I ricercatori sono riusciti a costruire una sinapsi artificiale funzionante, utilizzando acqua e sale come mezzo di trasmissione del segnale.

Di seguito è riportata una rappresentazione grafica della sinapsi artificiale. Essai è costituita da sfere colloidali con nanocanali tra di loro. Credito: Università di Utrecht
Di seguito è riportata una rappresentazione grafica della sinapsi artificiale. Essai è costituita da sfere colloidali con nanocanali tra di loro. Credito: Università di Utrecht

Sinapsi artificiale: la sfida del calcolo neuromorfico ionico

Nel tentativo di migliorare l’efficienza energetica dei computer convenzionali, gli scienziati si sono a lungo ispirati al cervello umano. Essi mirano a emulare la sua straordinaria capacità in vari modi.

Questi sforzi hanno portato allo sviluppo di computer simili al cervello, che divergono dalla tradizionale elaborazione binaria per abbracciare metodi analogici simili allo stesso. Tuttavia, mentre il nostro cervello funziona utilizzando acqua e particelle di sale disciolte chiamate ioni come mezzo, la maggior parte dei computer si basano su materiali solidi convenzionali.

Questo ha sollevato la domanda: potremmo mai ottenere una replica più fedele del funzionamento del cervello adottando lo stesso mezzo?

Questa intrigante possibilità è al centro del fiorente campo del calcolo neuromorfico ionico.

Sinapsi artificiale, Credito: Università di Utrecht
Sinapsi artificiale, Credito: Università di Utrecht

Sinapsi artificiale: imitare il cervello con acqua e sale

Nell’ultimo studio pubblicato su PNAS, gli scienziati hanno, per la prima volta, dimostrato un sistema dipendente dall’acqua e dal sale che mostra la capacità di elaborare informazioni complesse, rispecchiando la funzionalità del nostro cervello. Al centro di questa scoperta c’è un minuscolo dispositivo che misura 150 x 200 micrometri, che imita il comportamento di una sinapsi, un componente essenziale nel cervello responsabile della trasmissione dei segnali tra i neuroni.

Tim Kamsma, dottorando presso l’Istituto di fisica teorica e l’Istituto di matematica dell’Università di Utrecht, e autore principale dello studio, ha espresso il suo entusiasmo, affermando: “Esiste già una sinapsi artificiale in grado di elaborare informazioni complesse basate su materiali solidi, ma ora abbiamo dimostrato per la prima volta che questa impresa può essere realizzata anche utilizzando acqua e sale”.

Egli ha Sottolineato: “Abbiamo replicato efficacemente il comportamento neuronale utilizzando un sistema che utilizza lo stesso mezzo del cervello”.

Immagine microscopica della sinapsi artificiale. Credito: Università di Utrecht
Immagine microscopica della sinapsi artificiale. Credito: Università di Utrecht

La sinapsi artificiale ionica apre nuove frontiere

Il dispositivo, sviluppato da scienziati coreani e denominato memristor ionico, comprende un microcanale a forma di cono riempito con una soluzione di acqua e sale. Dopo aver ricevuto impulsi elettrici, gli ioni all’interno del liquido essi migrano attraverso il canale, portando ad alterazioni nella concentrazione degli ioni. A seconda dell’intensità (o della durata) dell’impulso, la conduttività del canale si regola di conseguenza, rispecchiando il rafforzamento o l’indebolimento delle connessioni tra neuroni. L’entità della variazione della conduttanza funge da rappresentazione misurabile del segnale di ingresso.

Un’ulteriore scoperta è stata che la lunghezza del canale influisce sulla durata necessaria per dissipare le variazioni di concentrazione. Questo suggerisce la possibilità di personalizzare i canali per conservare ed elaborare le informazioni per durate variabili, ancora una volta simili ai meccanismi sinaptici osservati nel nostro cervello.

La genesi di questa scoperta può essere fatta risalire a un’idea concepita da Kamsma, che ha iniziato la sua ricerca di dottorato non molto tempo fa. Ha trasformato questo concetto, incentrato sull’utilizzo di canali ionici artificiali per compiti di classificazione, in un robusto modello teorico.

Kamsma ha dichiarato: “Per coincidenza, in quel periodo le nostre strade si sono incrociate con il gruppo di ricerca in Corea del Sud. Essi hanno abbracciato la mia teoria con grande entusiasmo e hanno rapidamente avviato un lavoro sperimentale basato sullo stesso. Sorprendentemente, i risultati iniziali si sono materializzati solo tre mesi dopo, strettamente in linea con le previsioni delineate nel quadro teorico. È incredibilmente gratificante assistere al passaggio dalle congetture teoriche ai risultati tangibili del mondo reale, che alla fine si traducono in questi meravigliosi risultati sperimentali.”

Kamsma ha sottolineato la natura fondamentale della ricerca, evidenziando che il calcolo neuromorfico ionico, pur registrando una rapida crescita, è ancora agli inizi. Il risultato previsto è un sistema informatico di gran lunga superiore in termini di efficienza e consumo energetico rispetto alla tecnologia odierna. Tuttavia, al momento, se questa visione si concretizzerà rimane un’ipotesi.

Kamsma considera la pubblicazione un significativo passo avanti, e ha affermato: “Rappresenta un progresso cruciale verso i computer non solo in grado di imitare i modelli di comunicazione del cervello umano ma anche di utilizzare lo stesso mezzo. Forse questo alla fine aprirà la strada a sistemi informatici in grado di replicare le straordinarie capacità del cervello umano in modo più fedele”.

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