Il chip che imita il cervello - Hardware neuromorfico

Ho già parlato di "hardware neuromorfico", cioè di circuiti integrati dotati di componenti pensate per imitare il funzionamento di neuroni e sinapsi, nel precedente post "Tre strade per costruire una macchina pensante" (che avevo pensato proprio come un'introduzione a ciò che state per leggere).

Nei giorni scorsi, ricercatori dell'MIT hanno compiuto un passo importante in questo campo riuscendo a realizzare dei chip in grado di imitare il modo in cui le reti di neuroni biologici rispondono e si adattano quando entrano in contatto con nuovi pattern di informazione. Il fenomeno in questione è detto "plasticità neurale" e gioca un ruolo fondamentale in tutte le funzioni cognitive superiori, incluso l'apprendimento e la memoria.
Il chip realizzato dagli scienziati americani è stato progettato in modo che gruppi di transistor possano imitare l'attività dei diversi tipi di canali ionici presenti sui neuroni. Con circa 400 transistor, invece, è possibile simulare sui chip di silicio l'attività di una singola sinapsi.
Sono presenti circa 100 miliardi di neuroni in un cervello umano, ognuno di questi si collega tramite sinapsi a numerosi altri. Le sinapsi sono il punto di contatto tra le pareti cellulari di due neuroni; qui l'impulso nervoso viene trasmesso da un neurone all'altro grazie a particolari sostanze dette neurotrasmettitori (come ad esempio il glutammato o il GABA). Queste, rilasciate dal neurone presinaptico, vanno a legarsi su specifici recettori posti sulla membrana dell'altro (neurone postsinaptico), provocando un cambiamento del potenziale elettrico ai capi della sua membrana cellulare. Il cambiamento del potenziale può innescare l'apertura di canali ionici voltaggio-dipendenti (come quelli di cui parlavamo in questo post), dando il via ad una brusca diminuzione della differenza di potenziale ai capi della membrana (detta depolarizzazione) che propaga l'impulso nervoso al resto del neurone postsinaptico. In questo caso si dice che il neurone in cui avviene la depolarizzazione "spara".
Tutta l'attività sinaptica dipende dai canali ionici, è chiaro quindi quanto sia importante poterne riprodurre il comportamento per ottenere chip neuromorfici biologicamente realistici.
"Ora siamo in grado di regolare finemente i parametri dei circuiti per riprodurre le caratteristiche di specifici canali ionici ed arrivare ad imitare quasi qualunque processo ionico che avviene nei neuroni" ha affermato uno dei ricercatori coinvolti nello studio. In precedenza si era in grado di simulare lo "sparo" dei neuroni e la propagazione dell'impulso nervoso ma non tutte le circostanze che possono esserne all'origine.
Il chip realizzato rappresenta un "significativo miglioramento nello sforzo di incorporare ciò che sappiamo sulla biologia dei neuroni e sulla plasticità sinaptica in un circuito CMOS (acronimo di complementary metal-oxide semiconductor, un tipo di tecnologia utilizzata in elettronica per la progettazione di circuiti integrati)". Secondo Dean Buonomano, professore di neurobiologia all'università della California a Los Angeles, "il livello di realismo biologico è impressionante".

I ricercatori dell'MIT pensano di utilizzare il chip per studiare numerose funzioni cerebrali, come ad esempio il riconoscimento visivo, senza dover ricorrere a costose simulazioni su supercomputer. Un'altra interessante applicazione del dispositivo è come interfaccia neurale, ad esempio per la realizzazione di retine artificiali, o come neuroprotesi. Inoltre, in un futuro forse non troppo lontano,
questi chip neuromorfici potrebbero diventare i "mattoni" con cui costruire una "macchina pensante" del tipo di quelle di cui parlavamo nello scorso post.