Quale modo migliore di costruire chip di computer più intelligenti che imitare il computer più perfetto della natura: il cervello umano? Archiviare, cancellare ed elaborare le informazioni è cruciale per l'informatica e il cervello lo fa in modo estremamente efficiente.

Il nostro nuovo chip elettronico usa la luce per creare e modificare i ricordi, avvicinandoci all'intelligenza artificiale (AI) che può replicare la sofisticazione del cervello umano. Per sviluppare questo dispositivo, abbiamo tratto ispirazione da una nuova tecnica chiamata optogenetica, cercando di riprodurre il modo in cui il cervello memorizza (e perde) le informazioni.

L'optogenetica comporta l'uso della luce per controllare le cellule nei tessuti viventi, di solito le cellule nervose (neuroni). Questa area della scienza ci permette di addentrarci nel sistema elettrico del corpo con incredibile precisione, usando la luce per manipolare i neuroni in modo che possano essere accesi o spenti.

Usare la luce per creare ricordi

Le connessioni neurali nel cervello avvengono attraverso impulsi elettrici. Quando minuscoli picchi di energia raggiungono una certa soglia di tensione, i neuroni si collegano tra loro e tu inizi a creare un ricordo. Il nostro nuovo chip, i cui dettagli sono pubblicati nelle riviste Small and Advanced Functional Materials, ha lo scopo di fare la stessa cosa usando l'elettronica.

È basato su un materiale ultrasottile che modifica la resistenza elettrica in risposta a diverse lunghezze d'onda della luce. Ciò gli consente di imitare il modo in cui i neuroni lavorano per archiviare e cancellare le informazioni nel cervello. Ciò significa che possiamo simulare i meccanismi interni del cervello semplicemente inviando colori diversi sul nostro chip.

Abbiamo anche dimostrato che il chip può elaborare le informazioni di base, con semplici operazioni logiche in cui diversi input sono combinati per produrre un particolare output. Questo fa nascere l'ennesima scatola per funzionalità di tipo cerebrale.

Come funziona il chip

Facendo brillare una luce sul chip, si genera una corrente elettrica nel materiale sensibile alla luce del chip. Passando da un colore all'altro, la corrente inverte la direzione da positiva a negativa. Questo interruttore direzionale equivale al legame e alla rottura delle connessioni tra i neuroni nel cervello, un meccanismo che consente ai neuroni di connettersi (e formare nuovi ricordi) o disconnettersi (e dimenticarli).

Nell'optogenetica, la modifica dei neuroni indotta dalla luce li fa accendere o spegnere, abilitando o inibendo le connessioni al neurone successivo della catena. Questo processo basato sulla luce è ciò che il nostro chip può imitare.

Per sviluppare la tecnologia, abbiamo usato un materiale chiamato fosforo nero, con una struttura molecolare leggermente deformata a causa della mancanza di atomi. Difetti come questo sono generalmente visti come un problema per l'elettronica, ma li abbiamo sfruttati a nostro vantaggio. I difetti ci permettono di manipolare il comportamento del materiale, per imitare sia le connessioni che le disconnessioni neurali, a seconda della lunghezza d'onda della luce che splende su di esso.

Pensare al dopo

Il nostro nuovo chip ci porta più avanti nel percorso verso un uso del computer basato sulla luce, veloce, efficiente e sicuro. Ci fa fare anche un passo importante verso la creazione di un cervello bionico che può imparare dal suo ambiente proprio come facciamo noi.

Essere in grado di replicare il comportamento neurale su un chip elettronico offre anche entusiasmanti percorsi di ricerca per capire meglio il cervello e come è affetto da disturbi che interrompono le connessioni neurali, come il morbo di Alzheimer e altre forme di demenza.

Il cervello umano è costituito da miliardi di neuroni connessi in reti. Comunicano tra loro usando una sequenza di segnali elettrici per esprimere comportamenti diversi, come apprendere attraverso gli organi sensoriali o elaborare processi più complicati come le emozioni e la memoria. Qualsiasi interruzione di queste sequenze di segnalazione può portare a una perdita di queste connessioni neurali vitali, causando potenzialmente perdita di memoria e demenza.

Curare questi disturbi richiederebbe di identificare i neuroni difettosi e ripristinare la loro routine di segnalazione, senza influenzare il funzionamento di altri neuroni nella rete. Quindi, con un modello computerizzato del cervello, i neuroscienziati sarebbero in grado di simulare le funzioni e le anomalie cerebrali e di lavorare verso le cure, senza la necessità di sottoporre i soggetti a test.

La tecnologia potrebbe anche essere incorporata nell'elettronica indossabile, nelle protesi bioniche o nei gadget intelligenti intrisi di intelligenza artificiale.

Ma ci sono ancora diversi ostacoli da superare prima che questa tecnologia possa essere commercializzata. E, inutile dire, abbiamo ancora una lunga strada da percorrere per costruire una rete grande e complessa come un cervello umano, o anche un segmento di esso, che possa essere utile ai neuroscienziati.

Ma alla fine speriamo che questa tecnologia possa interfacciarsi con i tessuti viventi, dando vita a dispositivi bionici come gli impianti retinici. La retina umana contiene cellule sensibili a diverse lunghezze d'onda della luce, generando un segnale che il cervello interpreta come colori diversi. Poiché anche il nostro chip risponde in modo diverso a diverse lunghezze d'onda, potrebbe potenzialmente un giorno essere usato per realizzare retine artificiali.