Alzheimer: pronto il primo neurone artificiale su microchip realizzato anche da ricercatori italiani e testato in laboratorio e in vivo sui ratti
Come per le coronarie, anche per le sinapsi cerebrali arriverà un bypass. In questo caso però sarà per aiutarle a sostituire le funzioni perse a seguito della morte delle cellule cerebrali (neuroni), provocata da malattie neurodegenerative come l’Alzheimer. Parliamo di cento miliardi di neuroni, ciascuno in contatto con altri diecimila: è infatti enorme la rete di connessioni all’interno del nostro cervello che purtroppo, con l’invecchiamento, può ‘strapparsi’ in alcuni punti portando a difficoltà cognitive più o meno serie. Grazie alla sua plasticità il cervello sopperisce a lungo alla morte dei neuroni, ma superata una certa soglia di danno riuscirci diventa impossibile e compaiono i sintomi della demenza. In un futuro non troppo remoto i ‘buchi’ nella rete di connessioni cerebrali potrebbero essere colmati, o meglio ‘bypassati’, da neuroni sintetici su chip: esistono già e sono stati testati già in vitro e in vivo sui ratti. Questi chip sono analogici, come il corpo umano, ricevono e trasmettono informazioni elettriche come i neuroni umani, ma non possono essere comandati dall’esterno. Consumano un miliardo di volte meno energia di un microprocessore standard, tanto da poter utilizzare le micro-correnti generate dai neuroni biologici e non aver bisogno di alimentazione. Oggi il chip è un ‘quadratino’ di 5 mm2, ma in un prossimo futuro – parliamo di 5-10 anni – potrà avere il diametro di un capello ed essere impiantato in aree del cervello umano danneggiate e ripristinare almeno in parte le comunicazioni fra cellule e quindi la funzionalità cognitiva. I risultati raggiunti e le prospettive future saranno presentati e discussi in una lettura ad invito promossa dall’Associazione per la Ricerca sulle Demenze Onlus (ARD Onlus, www.ard.it) durante il XVI congresso SIN-DEM (Associazione autonoma aderente alla SIN per le demenze) che si terrà a Firenze dal 25 al 27 novembre.
“I neuroni su chip sono già una realtà – spiega Claude Kanah, docente e ricercatore di informatica e cibernetica –. Oggi i microchip sono quadratini di 5 mm2 di superficie, in futuro potranno essere rimpiccioliti fino al diametro di un capello per essere impiantati nel cervello umano. A oggi questi neuroni artificiali sono stati testati in vitro, su neuroni in coltura, e in vivo, su ratti nei quali sono stati impiantati in aree critiche come l’ippocampo, una zona del cervello fondamentale per i processi di memoria, la cui funzionalità viene meno in caso di malattie neurodegenerative come l’Alzheimer. Gli esperimenti condotti finora hanno dimostrato che questi neuroni di silicio (quindi artificiali) si comportano come quelli biologici: rispondono cioè alle variazioni delle correnti elettriche cerebrali, il mezzo con cui ‘dialogano’ i neuroni, e possono trasmettere ad altri neuroni queste informazioni sotto forma di impulsi elettrici”.
I neuroni su chip potrebbero perciò funzionare come un ‘ponte’ che ripari una comunicazione interrotta o danneggiata: i test finora condotti sugli animali, condotti da Alain Nogaret dell’università di Bath, Elisa Donati e Giacomo Indiveri dell’Università di Zurigo e altri ricercatori delle Università di Bristol e Auckland, mostrano che questi neuroni a stato solido (Solid State Neuron, o SSN) sono capaci di comportarsi come i neuroni biologici, rispondendo in maniera quasi completamente identica a seguito di numerosi e differenti stimoli. I neuroni bionici, inoltre, hanno bisogno di pochissima potenza per funzionare, appena 140 nanoWatt ovvero circa un miliardesimo del fabbisogno energetico di un microprocessore standard.
“Significa che sono impianti semplici da gestire, perché possono sfruttare le piccole correnti generate continuamente e fisiologicamente dai neuroni biologici per funzionare: l’obiettivo sarà far sì che i neuroni su chip siano auto-alimentati a bassa potenza, così da adattarsi al feedback fisiologico in tempo reale e da attivarsi autonomamente, appena innestati, sfruttando i potenziali elettrici delle reti neuronali presenti – osserva Claudio Mariani, presidente ARD Onlus, già professore di neurologia all’Ospedale Sacco di Milano –. Inoltre si tratta di sistemi che lavorano con una tecnologia analogica e quindi continua, non binaria come il digitale: tutti i sistemi biologici si basano su processi continui e aver scelto questa strategia significa poter mimare il comportamento di un neurone biologico con maggiore accuratezza. Oggi sappiamo che questi processori neuromorfici possono dialogare con i neuroni biologici perché ‘parlano’ la stessa lingua, fatta di segnali elettrici; il prossimo passo sarà provarli per esempio su topolini che, modificati geneticamente, sviluppano l’Alzheimer, per capire se e come possano vicariare le funzioni dei neuroni danneggiati, consentendo performance di memoria migliori”.
Possiamo essere davvero molto ottimisti per quanto riguarda i tempi delle sperimentazioni sull’uomo- quando i chip neuromorfici potranno trovare posto nel cervello umano, interagire con esso, riparando i circuiti lesi dalle malattie neurodegenerative. “Vista la velocità degli avanzamenti nelle scienze cibernetiche, che evolvono per il quadrato del tempo – conclude Leonardo Pantoni, vicepresidente ARD, Onlus direttore dell’Unità Complessa di Neurologia dell’Ospedale Luigi Sacco di Milano e Professore Ordinario di Neurologia dell’Università degli Studi di Milano,– è plausibile che “entro i prossimi cinque-dieci anni avremo non solo un neurone artificiale funzionante una volta innestato nel cervello umano, ma perfino reti di neuroni artificiali che potranno essere impiantate per esempio in aree colpite dalle placche amiloidi dell’Alzheimer o da altre patologie degenerative, per lavorare in parallelo con i circuiti rimasti e aiutare i neuroni biologici a continuare a svolgere i loro compiti”.