L’idea di creare sistemi digitali capaci di connettersi e “dialogare” direttamente con i cervelli umani rappresenta oggi uno dei principali obiettivi delle neuroscienze. La ricerca, pubblicata il 15 aprile scorso sulla rivista scientifica Nature Nanotechnology, rappresenta un punto di svolta nel settore delle interfacce cervello-macchina, delle neuroprotesi, ma soprattutto dell’intelligenza artificiale neuromorfica, cioè quei sistemi informatici progettati per imitare il funzionamento del cervello animale.
Negli ultimi anni lo sviluppo delle BCI (Brain-Computer Interface) ha dimostrato che una comunicazione tra sistemi elettronici e biologici è possibile, anche se limitata dai problemi di compatibilità fra le strutture artificiali e il tessuto nervoso. Tra i principali problemi vi sono il rigetto dei materiali impiantati da parte dell’organismo e la difficoltà di riprodurre impulsi elettrici realmente simili a quelli prodotti dal cervello animale. Un gruppo di ricercatori della Northwestern University ha però cambiato le regole del gioco: ha sviluppato “neuroni” stampati su materiali flessibili biocompatibili e in grado di generare impulsi elettrici molto simili a quelli del tessuto neuronale biologico.
Per ottenere questo gli scienziati hanno utilizzato particolari inchiostri elettronici costituiti da grafene e disolfuro di molibdeno, depositati attraverso una tecnica di stampa avanzata chiamata aerosol jet printing. Il risultato è un dispositivo sottile e flessibile capace di comunicare con cellule nervose vive senza produrre i rischi dei precedenti prototipi: infiammazione, microlesioni, innesco della risposta immunitaria e perdita di efficienza nel tempo.
Per verificare il funzionamento del sistema, gli scienziati hanno collegato i neuroni artificiali a sezioni di cervello di topo. Gli impulsi prodotti dai dispositivi artificiali sono riusciti a “dialogare” efficacemente con i neuroni biologici. Il risultato è particolarmente rilevante considerando che la maggior parte dei sistemi sviluppati finora produceva segnali troppo semplificati oppure con velocità e caratteristiche non compatibili con i segnali elettrici del tessuto nervoso biologico. I neuroni artificiali sono stati invece in grado di produrre con elevata precisione impulsi elettrici simili a quelli del sistema nervoso biologico. Tra questi vi sono il cosiddetto “bursting” neuronale, cioè una rapida sequenza di scariche elettriche consecutive utilizzata dai neuroni per trasmettere informazioni complesse, ma anche fenomeni di accumulo di carica, scariche ritmiche, impulsi elettrici continui e oscillazioni sincronizzate tra neuroni. La somiglianza dei neuroni artificiali prodotti dai ricercatori è stata quindi anche funzionale e non soltanto morfologica.
Ma non è tutto, questa innovazione potrebbe avere implicazioni molto più ampie. Il cervello umano è infatti straordinariamente efficiente: consuma circa 20 watt di energia, pari a una comune lampadina LED domestica, ma riesce comunque a svolgere attività estremamente complesse come apprendimento, memoria, linguaggio, riconoscimento visivo e capacità decisionali. Per imitare anche solo in parte queste funzioni, i moderni sistemi di intelligenza artificiale e i supercomputer richiedono quantità di energia enormemente superiori, fino a milioni di volte maggiori rispetto al cervello umano. Proprio da questo limite nasce l’interesse per la cosiddetta computazione neuromorfica: sistemi elettronici progettati per apprendere e adattarsi in modo simile al cervello umano, ma con consumi energetici molto inferiori rispetto ai computer tradizionali. Gli “inchiostri” elettronici sviluppati in questo studio potrebbero rappresentare quindi uno dei primi passi concreti verso questa nuova generazione di tecnologie.
Nel prossimo futuro queste ricerche potrebbero quindi portare allo sviluppo di neuroprotesi avanzate, interfacce cervello-macchina, piattaforme bioibride capaci di integrare componenti biologiche ed elettroniche e sistemi computazionali a basso consumo energetico. Un’evoluzione che potrebbe modificare profondamente il rapporto tra uomo e innovazione digitale, aprendo nuovi scenari scientifici e sociali, ma anche importanti questioni etiche sul confine tra sistemi biologici e artificiali.