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Da “Guerre stellari” alla medicina applicata: i primi neuroni artificiali

di Giulia Di Bartolomei

“Tanto tempo fa, in una galassia lontana lontana…”

I film della saga cinematografica di George Lucas, “Guerre stellari”, avevano sempre questo incipit.

In effetti il cervello artificiale di C-3PO, il robot umanoide che accompagna il celebre protagonista Luke Skywalker, è davvero il simbolo dell’intelligenza artificiale che credevamo di trovare solo nei film o nei libri che raccontano storie ambientate in mondi fantastici, sperduti in galassie lontane.

Oggi però, abbiamo per la prima volta la possibilità di fare un salto in un futuro evidentemente non più fantascientifico. Il team di ricercatori con a capo il Professor Simone Fabiano alla Linköping University (LiU), in collaborazione con il Karolinska Institute (KI) in Svezia, ha infatti creato i primi neuroni artificiali, i neuroni elettrochimici chiamati c-OECN (“conductance-based organic electrochemical neuron”). Questi neuroni sono in grado di emulare ben 15 delle 20 caratteristiche chiave delle cellule del nostro sistema nervoso. Le potenzialità che da questa sperimentazione derivano sono enormi, sconfinano in molti campi delle nostre vite e soprattutto aprono scenari inediti per la cura di molte malattie. Si può provare a comprendere perché, partendo dalla definizione di alcune proprietà fisiologiche dei neuroni biologici e procedendo fino a capire come si possa ricreare uno stimolo nervoso artificiale e quali siano i suoi effetti terapeutici.

I neuroni sono cellule estremamente complesse che processano informazioni e comunicano tra di loro grazie allo scambio chimico di ioni che avviene in strutture altamente specializzate chiamate sinapsi. Per essere più precisi, ogni cellula è dotata di un potenziale elettrico di membrana che è fondamentale per la trasmissione dei segnali nervosi. Il potenziale di membrana è determinato dalla differente permeabilità della membrana cellulare rispetto alle varie specie ioniche (sodio, cloro, potassio), che sono presenti in differenti concentrazioni ai suoi due lati (interno ed esterno della cellula).

Quando un segnale raggiunge una cellula, avviene un’improvvisa variazione del potenziale di membrana da negativo a positivo. Ciò è dovuto all’apertura di specifici canali ionici presenti nella membrana cellulare, che permettono il passaggio di ioni sodio (Na+) e successivamente di ioni potassio (K+). Così facendo, il neurone acquista una carica più positiva, ovvero si “depolarizza”. Quando viene raggiunta una determinata soglia, il neurone genera un potenziale d’azione o “spike”, che corrisponde all’emissione di un impulso di corrente elettrica. Ciò consente al neurone di rilasciare molecole neurotrasmettitori e comunicare con il neurone successivo.

Per creare quindi uno stimolo nervoso che sia il più possibile simile a quello fisiologico, bisogna emulare lo spostamento di ioni sodio e potassio attraverso i canali ionici.

Lo stesso gruppo di ricerca degli istituti svedesi, qualche anno fa aveva già pubblicato uno studio che riferiva di un esperimento in cui neuroni artificiali organici erano stati impiantati in un vegetale carnivoro ed erano stati utilizzati per controllare l’apertura e la chiusura della pianta: si trattava, dunque, di uno dei primi meccanismi artificiali in grado di integrarsi e comunicare con un sistema biologico. Questi prototipi, però, avevano poche caratteristiche che rispecchiassero la vera natura del nostro sistema nervoso.

I neuroni elettrochimici c-OECN, invece, sono costituiti da un tipo di polimero che permette la modulazione del segnale nervoso che attiva i neuroni circostanti. Il materiale utilizzato per produrre questi neuroni organici consente, infatti, al flusso di ioni di aumentare e diminuire nello stesso modo in cui si attivano e disattivano i canali del sodio e del potassio nei neuroni biologici.

Queste caratteristiche, fondamentali per il corretto funzionamento neurale, non erano mai state raggiunte artificialmente in precedenza né testate in-vivo. Lo studio dell’equipe del prof. Fabiano ha adesso testato il funzionamento di questi neuroni artificiali su modelli murini: il risultato è stato che, a seguito della stimolazione del nervo vago da parte dei neuroni sintetici impiantati nei topi, è stata osservata una modulazione della frequenza del battito cardiaco, che appariva essere ridotta. Ebbene, la stimolazione del nervo vago è utilizzata a livello medico per il trattamento di patologie tra cui crisi epilettiche, depressione ed il trattamento dell’infiammazione cronica.  Inoltre, la capacità degli c-OECN di rispondere a specifiche concentrazioni di segnali biochimici modulando il funzionamento dei circuiti neurali circostanti fa capire il potenziale che questa nuova tecnologia potrebbe avere a livello terapeutico anche per la cura di malattie neurodegenerative quali il Parkinson o l’Alzheimer.

Ci sono ancora molti progressi da fare prima che lo sviluppo e l’impiego dell’intelligenza artificiale in medicina permetta di ottenere risultati clinici significativi, perché è ancora grande la quantità di conoscenze da acquisire per comprendere il funzionamento del cervello umano.

Il continuo sviluppo e miglioramento di questa tecnologia consentirebbe, inoltre, di promuovere l’avanzamento dell’ingegneria robotica. Gli scienziati stanno lavorando per rendere i robot sempre più simili agli esseri umani, con l’obiettivo di sviluppare macchine estremamente sofisticate. Ad esempio, nel 2021, alcuni ricercatori dell’Università di Tokyo hanno insegnato a un piccolo androide a superare un labirinto, utilizzando una rete di neuroni coltivati in provetta e stimolati elettricamente per imitare il funzionamento del cervello. Tuttavia, questi sviluppi sollevano preoccupazioni etiche e legali sulla creazione di macchine capaci di pensare autonomamente.

Una cosa è certa: talvolta tendiamo a dimenticare che, lo si voglia o no, l’intelligenza artificiale (AI) è già tra noi. Infatti, l’associazione italiana di robotica ed automazione (SIRI) afferma che nel mondo ci sono già 3,5 milioni di robot che lavorano nelle industrie e questo fenomeno tenderà ad aumentare.

Magari tra qualche anno ci sveglieremo e troveremo tanti C3PO intelligenti pronti a prepararci un caffè.

Fonti :

Harikesh, P.C., Yang, CY., Wu, HY. et al. Ion-tunable antiambipolarity in mixed ion–electron conducting polymers enables biorealistic organic electrochemical neurons. Nat. Mater. 22, 242–248 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01450-8

Harikesh, P.C., Yang, CY., Tu, D. et al. Organic electrochemical neurons and synapses with ion mediated spiking. Nat Commun 13, 901 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28483-6 Yuichiro Yada, Shusaku Yasuda, and  Hirokazu Takahashia et. al. Physical reservoir computing with FORCE learning in a living neuronal culture featured. Appl. Phys. Lett. 119, 173701 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0064771


Giulia Di Bartolomei, dottoranda in Neurobiologia all’università di Basilea, nasce a Roma nel 1992.
Si laurea nel 2014 in biotecnologie e poi nel 2016 in biologia molecolare all’Università di Roma “La Sapienza”. Dopo una tesi sperimentale condotta tra l’EMBL (European Molecular Biology Laboratory) di Monterotondo, Roma, ed Heidelberg, in Germania, vince la borsa di studio Giovanni Armenise per attività di ricerca in laboratorio all’Harvard Medical School di Boston. Autrice del modulo di formazione Bioinformando, progetto svolto in alcuni licei di Roma e provincia, che combina la biologia e l’informatica e si propone l’obiettivo di avvicinare gli studenti alla realtà della ricerca scientifica.

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