Gli scienziati hanno creato parti chiave di cellule cerebrali sintetiche che possono contenere “ricordi” cellulari per millisecondi. Il risultato potrebbe un giorno portare a computer che funzionano come il cervello umano.
Queste parti, che sono state utilizzate per modellare una cellula cerebrale artificiale, utilizzano particelle cariche chiamate ioni per produrre un segnale elettrico, nello stesso modo in cui le informazioni vengono trasferite tra i neuroni del cervello.
I computer attuali possono fare cose incredibili, ma questa potenza di elaborazione ha un costo energetico elevato. Al contrario, il cervello umano è notevolmente efficiente, utilizzando all’incirca l’energia contenuta in due banane per svolgere un’intera giornata di lavoro.
Sebbene le ragioni di questa efficienza non siano del tutto chiare, gli scienziati hanno ragionato sul fatto che se potessero rendere un computer più simile al cervello umano, richiederebbe molta meno energia.
Un modo in cui gli scienziati cercano di replicare il meccanismo biologico del cervello è utilizzando il potere degli ioni, le particelle cariche su cui il cervello fa affidamento per produrre elettricità.
Nel nuovo studio, pubblicato sulla rivista Science, i ricercatori del Centre national de la recherche scientifique di Parigi, Francia, hanno creato un modello computerizzato di neuroni artificiali che potrebbe produrre lo stesso tipo di segnali elettrici che i neuroni usano per trasferire informazioni nel cervello, inviando ioni attraverso sottili canali d’acqua per imitare i veri canali ionici, i ricercatori potrebbero produrre questi picchi elettrici.
E ora hanno persino creato un modello fisico che incorpora questi canali come parte di ricerche inedite e in corso.
“Per quanto ne so, è la prima volta che le persone utilizzano gli ioni”, ha affermato il coautore dello studio Lydéric Bocquet, un fisico dell’École Normale Supérieure.
A un livello più preciso, i ricercatori hanno creato un sistema che imita il processo di generazione dei potenziali d’azione, picchi di attività elettrica generati dai neuroni che sono alla base dell’attività cerebrale. Per generare un potenziale d’azione, un neurone inizia a far entrare più ioni positivi, che sono attratti dagli ioni negativi all’interno della cellula.
Il potenziale elettrico o tensione, attraverso la membrana cellulare fa aprire le porte sulla cella chiamate canali ionici voltaggio-dipendenti, aumentando la carica ancora di più prima che la cella raggiunga un picco e ritorni alla normalità pochi millisecondi dopo. Il segnale viene quindi trasmesso ad altre cellule, consentendo alle informazioni di viaggiare nel cervello.
Per imitare i canali ionici voltaggio-dipendenti, i ricercatori hanno modellato un sottile strato d’acqua tra fogli di grafene, che sono fogli di carbonio estremamente sottili. Gli strati d’acqua nelle simulazioni erano una, due o tre molecole in profondità, che i ricercatori hanno caratterizzato come una fenditura quasi bidimensionale.
Bocquet ha affermato che i ricercatori volevano utilizzare questo ambiente bidimensionale perché le particelle tendono a reagire molto più fortemente in due dimensioni che in tre e mostrano proprietà diverse in due dimensioni, che i ricercatori hanno pensato potrebbero essere utili per il loro esperimento.
“In fisica, due dimensioni sono abbastanza strane”, sostiene Bocquet, “Quindi ti aspetti che accadano cose nuove.”
Testando il modello in una simulazione al computer, i ricercatori hanno scoperto che quando applicavano un campo elettrico al canale, gli ioni nell’acqua formavano strutture simili a vermi.
Man mano che il team applicava un campo elettrico maggiore nella simulazione, queste strutture si rompevano abbastanza lentamente da lasciare un “ricordo” o un accenno alla configurazione allungata.
Quando i ricercatori hanno eseguito una simulazione che collegava due canali e altri componenti per imitare il comportamento di un neurone, hanno scoperto che il modello potrebbe generare picchi di attività elettrica come i potenziali d’azione e che “ricordava” proprietà coerenti in due stati diversi: uno in cui gli ioni conducevano più elettricità e uno in cui hanno condotto di meno.
In questa simulazione, la “memoria” dello stato precedente degli ioni è durata alcuni millisecondi, circa lo stesso tempo impiegato dai neuroni reali per produrre un potenziale d’azione e tornare a uno stato di riposo.
Questo è un tempo piuttosto lungo per gli ioni, che di solito operano su scale temporali di nanosecondi o meno. In un vero neurone, un potenziale d’azione equivale a una memoria cellulare nel neurone, il nostro cervello usa l’apertura e la chiusura dei canali ionici per creare questo tipo di memoria.
“Abbiamo una memoria simile alla fine, ma la ragione del fenomeno è molto diversa”, ha affermato Bocquet.
Creare i ricordi
Il nuovo modello è una versione di un componente elettronico chiamato memristor, o resistore di memoria, che ha la proprietà unica di conservare le informazioni della sua storia. Ma i memristori esistenti non usano liquidi, come fa il cervello.
“I tipici memristori con cui lavoro, e altre persone nella letteratura con cui lavorano, sono memristori a stato solido”, ha affermato Gina Adam, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica presso la George Washington University, che non è stata coinvolta nello studio. “Questa nuova ricerca sulla creazione di memristori fluidi è molto promettente e molto intrigante”, ha aggiunto Adam.
Ha anche detto che mentre i computer pratici simili al cervello sono probabilmente molto lontani, questa ricerca potrebbe anche aiutare gli scienziati a capire meglio come il cervello elabora le informazioni e sviluppare nuove teorie sull’informatica simile al cervello.
Da quando ha condotto questa ricerca con simulazioni al computer, Bocquet afferma che lui e i suoi collaboratori dell’Università di Manchester nel Regno Unito hanno dato vita alla loro teoria, usandola per creare una sinapsi artificiale, la parte di un neurone che trasmette segnali elettrici, e hanno iniziato a fare esperimenti con esso.
“È emozionante perché ora è come un parco giochi”, ha affermato Bocquet. “Possiamo esplorare queste cose attivamente”.
