Alzheimer, pronto il primo neurone artificiale su microchip

Come una sorta di “bypass” sinaptico potrebbe ripristinare almeno in parte le comunicazioni fra neuroni interrotte a causa delle demenze. Realizzato anche grazie a ricercatori italiani e testato per ora solo in studi preclinici, in futuro potrà avere il diametro di un capello ed essere impiantato in aree del cervello umano danneggiate

neurone artificiale

Come per le coronarie, anche per le sinapsi cerebrali arriverà un bypass. Un neurone artificiale su microchip per la precisione, in grado di sostituire le funzioni perse a seguito della morte delle cellule cerebrali, bypasssando i “buchi” nella rete di connessioni cerebrali provocata da malattie neurodegenerative come l’Alzheimer.

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) durante il XVI congresso SIN-DEM che si terrà a Firenze dal 25 al 27 novembre.

I “buchi” nella rete di neuroni

La rete di connessioni all’interno del cervello è enorme, si tratta di cento miliardi di neuroni, ciascuno in contatto con altri diecimila, che 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 diventa impossibile e compaiono i sintomi della demenza. Ed è qui che entrano in gioco i neuroni artificiali.

I neuroni artificiali attuali

I neuroni sintetici su chip esistono già e sono stati testati già in vitro e in vivo sui ratti. Sono grandi come un “quadratino” di 5 mm2, ma fra 5-10 anni potrebbe 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.

“Per ora 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” spiega Claude Kanah, docente e ricercatore di informatica e cibernetica.

Come un neurone biologico

I chip attuali sono analogici, come il corpo umano, ricevono e trasmettono informazioni elettriche come i neuroni umani, ma non possono essere comandati dall’esterno. I test finora condotti sugli animali (dalle università di Bath, Zurigo, Bristol e Auckland), mostrano che questi neuroni a stato solido (Solid State Neuron, o SSN) sono capaci di comportarsi come i neuroni 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. Potrebbero perciò funzionare come un “ponte” che ripari una comunicazione interrotta o danneggiata.

Neurone artificiale in modelli di Alzheimer

“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” spiega Claudio Mariani, presidente ARD Onlus, già professore di neurologia all’Ospedale Sacco di Milano.

“Oggi sappiamo che questi processori neuromorfici possono dialogare con i neuroni biologici perché ‘parlano’ la stessa lingua, fatta di segnali elettrici” continua. “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”.

Neuroni artificiali auto-alimentati

Inoltre i neuroni artificiali hanno bisogno di pochissima potenza per funzionare, appena 140 nanoWatt ovvero circa un miliardesimo del fabbisogno energetico di un microprocessore standard. Consumano quindi 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.

“Significa che sono impianti semplici da gestire – conclude Mariani – 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”.

Le reti di neuroni artificiali

Il neurone artificiale potrebbe essere realtà entro i prossimi cinque-dieci anni vista la velocità degli avanzamenti nelle scienze cibernetiche, come afferma Leonardo Pantoni, vicepresidente ARD, Onlus e direttore dell’Unità Complessa di Neurologia dell’Ospedale Luigi Sacco di Milano. “È plausibile non solo che avremo 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”.