La sinapsi artificiale che “parla” con le cellule viventi è il risultato di una collaborazione tra l’Istituto Italiano di Tecnologia, la Stanford University e l’Eindhoven University of Technology
La sinapsi artificiale bioibrida in grado di interfacciarsi con le cellule neuronali è un traguardo che amplia gli orizzonti di ricerca verso la connessione uomo-macchina e aggiunge un tassello tra gli strumenti a disposizione per la cura delle malattie neurodegenerative. Le future tecnologie derivanti da questo studio potrebbero funzionare rispondendo direttamente ai segnali chimici del cervello. Lo sviluppo di interfacce cervello-computer efficienti, basate su sinapsi artificiali in grado di “imparare” e interagire con i neuroni, aumenta ancora di più le aspettative nei confronti delle possibili applicazioni. Questa ricerca è però ancora agli albori e l’obiettivo era quello di farlo funzionare in vitro, cosa che è andata a buon fine.
La ricerca, pubblicata il 15 giugno su Nature Materials, è frutto del lavoro dei ricercatori della Standford University (California), in collaborazione con l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) e l’Eindhoven University of Technology (Paesi Bassi). Dopo diversi anni di ricerca sul tema, sono riusciti a testare la prima versione bioibrida della loro sinapsi artificiale e a dimostrare la sua capacità di comunicare. A differenza delle sperimentazioni precedenti, che basavano la comunicazione sui segnali elettrici, in questo caso il “dialogo” tra artificiale e vivente avviene grazie a segnali elettrochimici, come se fossero neuroni normali.
La sinapsi artificiale bioibrida è costituita da due elettrodi di materiale polimerico morbido (un particolare tipo di materiale plastico chiamato poli (3,4 etilendiossitiofene)/poli(stirene-solfonato) o più semplicemente PEDOT:PSS), separati da uno spazio riempito di soluzione elettrolitica – in grado di condurre l’elettricità – con la funzione di fessura sinaptica. Quest’ultima, in natura, separa due neuroni ed è piena di fluido extracellulare in cui vengono rilasciati i neurotrasmettitori, responsabili del trasporto del messaggio da un neurone all’altro. Quando le cellule viventi sono poste sopra ad uno dei due elettrodi, i neurotrasmettitori rilasciati possono reagire con l’elettrodo e produrre ioni, che viaggiano nella soluzione elettrolitica e raggiungono l’altro. Il suo stato conduttivo viene modificato e una parte di questo cambiamento indotto è conservata, simulando così il processo naturale di apprendimento a lungo termine. Come riportato sul sito dell’università californiana, “questo lavoro mette davvero in evidenza la forza unica dei materiali che utilizziamo per poter interagire con la materia vivente”, ha commentato Alberto Salleo, professore di scienza dei materiali e di ingegneria a Stanford e coautore dell’articolo. “Le cellule, situate sul materiale polimerico morbido, stanno bene. La compatibilità va più in profondità: questi materiali lavorano con le stesse molecole che i neuroni usano naturalmente”.
Nelle sinapsi del cervello, l’apprendimento è molto efficiente in termini di energia, unendo in un solo passaggio elaborazione dell’informazione e immagazzinamento, mentre nei sistemi informatici i dati vengono prima elaborati e poi spostati nella memoria, rendendo il processo più lento e dispendioso. Il processo sperimentato imita quello che succede nel cervello, evidenziando le capacità uniche dei materiali utilizzati per interagire con cellule viventi. Utilizzando cellule neuroendocrine di ratto, in grado di secernere dopamina, è stato studiato proprio l’apprendimento a lungo termine. La dopamina svolge un ruolo importante nella trasmissione di informazioni tra i neuroni, regolando la plasticità della sinapsi, la connettività della rete neurale e la depressione. Dal punto di vista tecnico, nella sinapsi bioibrida la dopamina viene modificata chimicamente – grazie a un processo di ossidazione – nei pressi del secondo elettrodo e questo provoca un cambiamento di carica, inducendo un flusso di ioni nella soluzione elettrolitica e attivando il processo di acquisizione dell’informazione.
Sono già in uso dei chip per impianti cerebrali, ad esempio quelli per la cosiddetta “deep brain stimulation” (cioè l’impianto di un neurostimolatore che invia impulsi elettrici a specifiche aree del cervello, usato ad esempio nel trattamento di alcune forme di malattia di Parkinson), ma non sono in grado di comunicare con i neuroni circostanti. L’importanza di questa sperimentazione è sottolineata dalla possibilità di costruire, in futuro, circuiti neurali in grado di sostituire quelli danneggiati da patologie che colpiscono il sistema nervoso. Purtroppo, le dimensioni attuali di questi elettrodi rendono impossibile la loro applicazione clinica e la miniaturizzazione delle sinapsi sintetiche è uno degli obiettivi futuri della ricerca. Già nel 2017, i ricercatori di Standford avevano presentato un dispositivo che imita il processo di apprendimento neurale efficiente e a basso consumo energetico: una versione artificiale di una sinapsi realizzata con materiali organici. Nel 2019, nove di queste sinapsi sono state assemblate su un chip e programmate simultaneamente per imitare le funzioni del cervello, infine oggi sono arrivati alla sinapsi artificiale bioibrida. Come già detto, lo studio è in fase preliminare e la strada da percorrere prima di arrivare ad una applicazione reale è ancora lunga, ma la ricerca procede a passo veloce e speriamo che presto potremo vederne i risultati.