I neuroni artificiali su chip di silicio che si comportano proprio come la cosa reale sono stati inventati dagli scienziati, un risultato unico nel suo genere con enormi possibilità per i dispositivi medici di curare le malattie croniche, come insufficienza cardiaca, Alzheimer, e altre malattie della degenerazione neuronale.

Criticamente i neuroni artificiali non solo si comportano proprio come i neuroni biologici, ma necessitano solo di un miliardesimo della potenza di un microprocessore, rendendoli ideali per l'uso in impianti medici e altri dispositivi bioelettronici.

Il gruppo di ricerca, guidato dall'Università di Bath e comprendente ricercatori delle Università di Bristol, Zurigo e Auckland, descrivere i neuroni artificiali in uno studio pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

Progettare neuroni artificiali che rispondono ai segnali elettrici del sistema nervoso come neuroni reali è stato per decenni uno degli obiettivi principali della medicina, poiché apre la possibilità di curare condizioni in cui i neuroni non funzionano correttamente, hanno avuto i loro processi recisi come nella lesione del midollo spinale, o sono morti. I neuroni artificiali potrebbero riparare i biocircuiti malati replicando la loro funzione sana e rispondendo adeguatamente al feedback biologico per ripristinare la funzione corporea.

Nello scompenso cardiaco, ad esempio, i neuroni alla base del cervello non rispondono adeguatamente al feedback del sistema nervoso, a loro volta non mandano i giusti segnali al cuore, che poi non pompa così forte come dovrebbe.

Tuttavia, lo sviluppo di neuroni artificiali è stata una sfida immensa a causa delle sfide della biologia complessa e delle risposte neuronali difficili da prevedere.

I ricercatori hanno modellato e derivato con successo equazioni per spiegare come i neuroni rispondono agli stimoli elettrici provenienti da altri nervi. Questo è incredibilmente complicato in quanto le risposte sono "non lineari" - in altre parole, se un segnale diventa due volte più forte non dovrebbe necessariamente suscitare una reazione doppia, potrebbe essere tre volte più grande o qualcos'altro.

Hanno quindi progettato chip di silicio che modellavano accuratamente i canali ionici biologici, prima di dimostrare che i loro neuroni di silicio imitavano esattamente quelli reali, neuroni viventi che rispondono a una serie di stimolazioni.

I ricercatori hanno replicato accuratamente la dinamica completa dei neuroni dell'ippocampo e dei neuroni respiratori dei ratti, sotto una vasta gamma di stimoli.

Professor Alain Nogaret, del Dipartimento di Fisica dell'Università di Bath ha guidato il progetto. Ha detto:"Finora i neuroni sono stati come scatole nere, ma siamo riusciti ad aprire la scatola nera e sbirciare all'interno. Il nostro lavoro sta cambiando paradigma perché fornisce un metodo robusto per riprodurre le proprietà elettriche dei neuroni reali nei minimi dettagli.

"Ma è più largo di così, perché i nostri neuroni hanno bisogno solo di 140 nanoWatt di potenza. È un miliardesimo del fabbisogno energetico di un microprocessore, che altri tentativi di produrre neuroni sintetici hanno utilizzato. Ciò rende i neuroni adatti per gli impianti bioelettronici per il trattamento di malattie croniche.

"Ad esempio, stiamo sviluppando pacemaker intelligenti che non solo stimoleranno il cuore a pompare a un ritmo costante, ma utilizzeranno questi neuroni per rispondere in tempo reale alle richieste poste sul cuore, che è ciò che accade naturalmente in un cuore sano. Altro possibili applicazioni potrebbero essere nel trattamento di condizioni come l'Alzheimer e le malattie degenerative neuronali più in generale.

"Il nostro approccio combina diverse scoperte. Possiamo stimare in modo molto accurato i parametri precisi che controllano il comportamento di qualsiasi neurone con elevata certezza. Abbiamo creato modelli fisici dell'hardware e dimostrato la sua capacità di imitare con successo il comportamento dei neuroni viventi reali. La nostra terza scoperta è la versatilità del nostro modello che consente l'inclusione di diversi tipi e funzioni di una gamma di neuroni di mammiferi complessi".

Professor Giacomo Indiveri, coautore dello studio, dell'Università di Zurigo e dell'ETF Zurigo, ha aggiunto:"Questo lavoro apre nuovi orizzonti per la progettazione di chip neuromorfici grazie al suo approccio unico all'identificazione di parametri cruciali del circuito analogico".

Un altro coautore, Professor Julian Paton, un fisiologo presso l'Università di Auckland e l'Università di Bristol, ha dichiarato:"Replicare la risposta dei neuroni respiratori nella bioelettronica che può essere miniaturizzata e impiantata è molto eccitante e apre enormi opportunità per dispositivi medici più intelligenti che guidano verso approcci di medicina personalizzata a una serie di malattie e disabilità"."