I fisici teorici dell'Università di Utrecht, insieme ai fisici sperimentali dell'Università di Sogang in Corea del Sud, sono riusciti a costruire una sinapsi artificiale. Questa sinapsi funziona con acqua e sale e fornisce la prima prova che un sistema che utilizza lo stesso mezzo del nostro cervello può elaborare informazioni complesse.
I risultati vengono visualizzati nella rivista Proceedings of the National Academy of Sciences .
Nel tentativo di migliorare l’efficienza energetica dei computer convenzionali, gli scienziati si sono a lungo ispirati al cervello umano. Mirano a emulare la sua straordinaria capacità in vari modi.
Questi sforzi hanno portato allo sviluppo di computer simili al cervello, che divergono dalla tradizionale elaborazione binaria per abbracciare metodi analogici simili al nostro cervello. Tuttavia, mentre il nostro cervello funziona utilizzando come mezzo l'acqua e le particelle di sale disciolte chiamate ioni, la maggior parte dei computer ispirati al cervello si basa su materiali solidi convenzionali.
Ciò solleva la domanda:non potremmo ottenere una replica più fedele del funzionamento del cervello adottando lo stesso mezzo? Questa intrigante possibilità è al centro del fiorente campo del calcolo neuromorfico ionico.
Nell'ultimo studio pubblicato su PNAS , gli scienziati hanno dimostrato, per la prima volta, un sistema che fa affidamento sull'acqua e sul sale e che mostra la capacità di elaborare informazioni complesse, rispecchiando la funzionalità del nostro cervello. Al centro di questa scoperta c'è un minuscolo dispositivo che misura 150 x 200 micrometri, che imita il comportamento di una sinapsi, un componente essenziale nel cervello responsabile della trasmissione dei segnali tra i neuroni.
Tim Kamsma, un dottorato di ricerca. candidato presso l'Istituto di Fisica Teorica e Istituto di Matematica dell'Università di Utrecht, e autore principale dello studio, esprime il suo entusiasmo, affermando:"Mentre esistono già sinapsi artificiali in grado di elaborare informazioni complesse basate su materiali solidi, ora mostriamo per è la prima volta che questa impresa può essere realizzata anche utilizzando acqua e sale. Stiamo replicando efficacemente il comportamento neuronale utilizzando un sistema che utilizza lo stesso mezzo del cervello."
Migrazione ionica
Il dispositivo, sviluppato da scienziati coreani e denominato memristor ionico, comprende un microcanale a forma di cono riempito con una soluzione di acqua e sale. Dopo aver ricevuto impulsi elettrici, gli ioni all'interno del liquido migrano attraverso il canale, portando ad alterazioni nella concentrazione degli ioni.
A seconda dell'intensità (o della durata) dell'impulso, la conduttività del canale si regola di conseguenza, rispecchiando il rafforzamento o l'indebolimento delle connessioni tra neuroni. L'entità del cambiamento nella conduttanza serve come rappresentazione misurabile del segnale di ingresso.
Un’ulteriore scoperta è che la lunghezza del canale influisce sulla durata necessaria per dissipare le variazioni di concentrazione. "Ciò suggerisce la possibilità di personalizzare i canali per conservare ed elaborare le informazioni per durate variabili, ancora una volta simili ai meccanismi sinaptici osservati nel nostro cervello", afferma Kamsma.
La genesi di questa scoperta può essere fatta risalire a un'idea concepita da Kamsma, che ha iniziato la sua ricerca di dottorato non molto tempo fa. Ha trasformato questo concetto, incentrato sull'utilizzo di canali ionici artificiali per compiti di classificazione, in un robusto modello teorico.
"Per coincidenza, in quel periodo le nostre strade si sono incrociate con il gruppo di ricerca in Corea del Sud", afferma Kamsma. "Hanno abbracciato la mia teoria con grande entusiasmo e hanno avviato rapidamente un lavoro sperimentale basato su di essa."
Sorprendentemente, i risultati iniziali si sono materializzati solo tre mesi dopo, strettamente in linea con le previsioni delineate nel quadro teorico di Kamsma. "Ho pensato:wow!" riflette. "È incredibilmente gratificante assistere al passaggio dalle congetture teoriche ai risultati tangibili del mondo reale, che alla fine si traducono in questi splendidi risultati sperimentali."
Kamsma sottolinea la natura fondamentale della ricerca, evidenziando che il calcolo neuromorfico ionico, pur registrando una rapida crescita, è ancora agli inizi. Il risultato previsto è un sistema informatico di gran lunga superiore in termini di efficienza e consumo energetico rispetto alla tecnologia odierna. Tuttavia, al momento, se questa visione si concretizzerà rimane un’ipotesi. Tuttavia, Kamsma vede la pubblicazione come un significativo passo avanti.
"Rappresenta un progresso cruciale verso i computer in grado non solo di imitare i modelli di comunicazione del cervello umano, ma anche di utilizzare lo stesso mezzo", afferma. "Forse questo alla fine aprirà la strada a sistemi informatici in grado di replicare le straordinarie capacità del cervello umano in modo più fedele"
Ulteriori informazioni: Tim M. Kamsma et al, Informatica ispirata al cervello con nanocanali ionotronici fluidici, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2320242121
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dall'Università di Utrecht
