Domenico Ascione
Creati i primi neuroni artificiali: una scoperta che potrebbe avere risvolti importantissimi sulla medicina moderna
La scienza e la medicina hanno sempre avuto problemi a scandagliare il cervello: il nostro organo principale rimane un mistero sotto molti punti di vista. Eppure, negli ultimi anni la ricerca sta facendo passi da gigante a riguardo iniziando ad analizzare sempre di più il mistero dietro ciò che pensiamo o sognamo.
Addirittura una recente ricerca potrebbe ricreare artificialmente i nostri neuroni.
Neuroni in laboratorio
Presso il Laboratory for Organic Electronics (LOE), in Svezia, prosegue il lavoro di sviluppo di cellule nervose artificiali sempre più funzionali. Nel 2022, un team di scienziati guidati dal professore associato Simone Fabiano ha dimostrato come un neurone organico artificiale possa essere integrato in una pianta carnivora vivente per controllare l’apertura e la chiusura della sua bocca. Questa cellula nervosa sintetica ha soddisfatto 2 delle 20 caratteristiche che la differenziano da una cellula nervosa biologica.
Nel loro ultimo studio, pubblicato sulla rivista Nature Materials, gli stessi ricercatori della LiU hanno sviluppato una nuova cellula nervosa artificiale chiamata “neurone elettrochimico organico basato sulla conduttanza” o c-OECN, che imita da vicino 15 delle 20 caratteristiche neurali che caratterizzano le cellule nervose biologiche, rendendo il suo funzionamento molto più simile alle cellule nervose naturali.
Una delle sfide principali nella creazione di neuroni artificiali che imitino efficacemente i neuroni biologici reali è la capacità di incorporare la modulazione ionica. I neuroni artificiali tradizionali fatti di silicio possono emulare molte caratteristiche neurali, ma non possono comunicare attraverso gli ioni. Al contrario, i c-OECN utilizzano gli ioni per dimostrare diverse caratteristiche chiave dei veri neuroni biologici Simone Fabiano, ricercatore principale del gruppo di nanoelettronica organica del LOE.
Risultato dopo 5 anni di studio
Nel 2018, il gruppo di ricerca dell’Università di Linköping è stato uno dei primi a sviluppare transistor elettrochimici organici basati su polimeri conduttori di tipo n, ovvero materiali in grado di condurre cariche negative. Ciò ha reso possibile la costruzione di circuiti elettrochimici organici complementari stampabili. Da allora, il gruppo ha lavorato per ottimizzare questi transistor in modo da poterli stampare in una macchina da stampa su un sottile foglio di plastica. Il risultato è che ora è possibile stampare migliaia di transistor su un substrato flessibile e utilizzarli per sviluppare cellule nervose artificiali.
Nel neurone artificiale di nuova concezione, gli ioni vengono utilizzati per controllare il flusso di corrente elettronica attraverso un polimero conduttore di tipo n, provocando picchi di tensione nel dispositivo. Questo processo è simile a quello che avviene nelle cellule nervose biologiche. Il materiale unico della cellula nervosa artificiale consente inoltre di aumentare e diminuire la corrente in una curva a campana quasi perfetta, che ricorda l’attivazione e l’inattivazione dei canali ionici del sodio presenti in biologia.
I risvolti medici
Negli esperimenti condotti in collaborazione con il Karolinska Institute (KI), i nuovi neuroni c-OECN sono stati collegati al nervo vago dei topi. I risultati mostrano che il neurone artificiale è stato in grado di stimolare i nervi dei topi, causando una variazione del 4,5% della loro frequenza cardiaca.
Il fatto che il neurone artificiale sia in grado di stimolare il nervo vago stesso potrebbe, a lungo termine, aprire la strada ad applicazioni essenziali in varie forme di trattamento medico. In generale, i semiconduttori organici hanno il vantaggio di essere biocompatibili, morbidi e malleabili, mentre il nervo vago svolge un ruolo fondamentale, ad esempio, nel sistema immunitario e nel metabolismo dell’organismo.
Ancora tanta strada da fare
Il prossimo passo dei ricercatori sarà quello di ridurre il consumo energetico dei neuroni artificiali, che è ancora molto più alto di quello delle cellule nervose umane. Resta ancora molto lavoro da fare per replicare artificialmente la natura.
Ci sono molte cose che ancora non comprendiamo appieno del cervello umano e delle cellule nervose. Infatti, non sappiamo come la cellula nervosa utilizzi molte di queste 15 caratteristiche dimostrate. Imitare le cellule nervose può permetterci di capire meglio il cervello e di costruire circuiti in grado di svolgere compiti intelligenti. La strada è ancora lunga, ma questo studio è un buon inizio Padinhare Cholakkal Harikesh, postdoc e autore principale dell’articolo scientifico