Alberto Salleo (a sinistra), professore associato di scienza dei materiali e ingegneria alla Stanford University, e il primo autore dello studio Scott Keene, caratterizzano le proprietà elettrochimiche di una sinapsi artificiale, dispositivo bioibrido che si integra con le cellule viventi. (Fonte: L.A. Cicero)

Nel 2017, i ricercatori della Stanford University hanno presentato un nuovo dispositivo che imita il processo di apprendimento neurale efficiente ed a basso consumo energetico del cervello. Era una versione artificiale di una sinapsi (lo spazio attraverso cui transitano i neurotrasmettitori per comunicare da un neurone all'altro) composto da materiali organici.

Nel 2019, i ricercatori hanno assemblato insieme in un apparato 9 sinapsi artificiali, dimostrando che possono essere programmate simultaneamente per imitare il funzionamento in parallelo del cervello.

Ora, con uno studio pubblicato il 15 giugno su Nature Materials, hanno testato la prima versione bioibrida delle loro sinapsi artificiali e hanno dimostrato che può comunicare con le cellule viventi. Tecnologie future, derivanti da questo dispositivo, potrebbero funzionare rispondendo direttamente ai segnali chimici provenienti dal cervello. La ricerca è stata condotta in collaborazione con ricercatori dell'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) di Napoli, e dell'Università della Tecnologia di Eindhoven nei Paesi Bassi.

“Questo documento evidenzia realmente la forza unica dei materiali che usiamo di interagire con la materia vivente”, ha detto Alberto Salleo, professore di scienza dei materiali e ingegneria della Stanford e co-autore senior della ricerca. “Le cellule sono felici di risiedere sul polimero morbido. Ma la compatibilità va più in profondità: questi materiali funzionano con le stesse molecole che usano naturalmente i neuroni“.

Mentre altri dispositivi cerebrali integrati richiedono un segnale elettrico per rilevare ed elaborare i messaggi del cervello, le comunicazioni tra il dispositivo e le cellule viventi avvengono attraverso l'elettrochimica, come se il materiale fosse solo un altro neurone che riceve messaggi dal suo vicino.

Come imparano i neuroni

La sinapsi bioibrida artificiale è costituita da due elettrodi di polimero morbido, separati da una trincea riempita con soluzione elettrolitica, che svolge le funzioni della parte della fessura sinaptica che separa i neuroni comunicanti nel cervello.

Quando le cellule viventi sono posizionate sopra un elettrodo, i neurotrasmettitori che tali cellule rilasciano possono reagire con l'elettrodo, producendo ioni. Gli ioni viaggiano attraverso la trincea al secondo elettrodo e modulano lo stato di conduzione di questo elettrodo. Parte di quel cambiamento è conservato, simulando il processo di apprendimento che si verifica in natura.

“In una sinapsi biologica, essenzialmente tutto è controllato da interazioni chimiche alla giunzione sinaptica. Ogni volta che le cellule comunicano tra loro, stanno usando la chimica“, ha dichiarato Scott Keene, dottorando della Stanford e primo coautore dello studio. “Essere in grado di interagire con la chimica naturale del cervello è il valore aggiunto del dispositivo”.

Questo processo imita lo stesso tipo di apprendimento delle sinapsi biologiche, che è altamente efficiente in termini di energia, perché calcolo e immagazzinamento della memoria si svolgono in una sola azione. Nei sistemi informatici più tradizionali, i dati vengono prima elaborati e poi successivamente trasferiti allo stoccaggio.

Per testare il dispositivo, i ricercatori hanno usato cellule neuroendocrine di ratto che rilasciano il neurotrasmettitore dopamina. Prima di eseguire l'esperimento, non sapevano bene come la dopamina avrebbe potuto interagire con il loro materiale, ma hanno visto un cambiamento permanente nello stato del loro dispositivo dopo la prima reazione.

“Sapevamo che la reazione è irreversibile, quindi ha senso che avrebbe causato una variazione permanente nello stato di conduzione del dispositivo”, ha detto Keene. “Ma era difficile sapere se avremmo raggiunto il risultato previsto sulla carta finché non l'abbiamo visto accadere in laboratorio. È stato solo allora che ci siamo resi conto del potenziale che questo ha per emulare il processo di apprendimento a lungo termine di una sinapsi”.

Un primo passo

Questo progetto bioibrido è così nelle fasi iniziali che l'obiettivo principale della ricerca attuale era semplicemente quello di farlo funzionare. “È una dimostrazione che questa comunicazione, che fonde chimica ed elettricità, è possibile”, ha detto Salleo. “Si potrebbe dire che è un primo passo verso un'interfaccia cervello-macchina, ma è un primo passo molto piccolo”.

Ora che i ricercatori hanno testato con successo il loro progetto, stanno delineando i percorsi migliori per la ricerca futura, che potrebbero includere il lavoro su computer ispirati al cervello, interfacce cervello-macchina, dispositivi medici o nuovi strumenti di ricerca per le neuroscienze. Stanno già lavorando per migliorare il funzionamento del dispositivo in ambienti biologici più complessi, che contengono diversi tipi di cellule e neurotrasmettitori.

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