moderni sistemi di intelligenza artificiale (IA), come i modelli alla base del funzionamento di ChatGPT, i generatori di immagini e gli strumenti creativi basati sull’IA, traggono ispirazione dalle funzioni e dall’organizzazione del cervello umano. Sebbene molti di questi sistemi siano noti per le loro prestazioni eccezionali in compiti specifici, funzionano comunque in modo indipendente dal cervello umano.
I ricercatori dell’Università di Princeton si sono prefissati l’obiettivo di creare un sistema elettronico flessibile che potesse essere integrato direttamente con gruppi di cellule cerebrali viventi per realizzare una piattaforma ibrida di bioinformatica. Il nuovo dispositivo ibrido da loro sviluppato, denominato 3D-MIND, è stato presentato in un articolo pubblicato su Nature Electronics .
“Questo lavoro è nato da una sfida crescente nell’ambito dell’intelligenza artificiale moderna”, ha dichiarato a Tech Xplore Tian-Ming Fu, autore senior dell’articolo. “I sistemi odierni possono fare cose incredibili, ma consumano enormi quantità di energia , tanto che il loro fabbisogno energetico sta iniziando a influenzare le infrastrutture del mondo reale e a sollevare preoccupazioni ambientali.”
“Nel frattempo, il cervello umano fa molto di più con solo una minuscola frazione di quell’energia. Questo contrasto ci ha portato a una domanda semplice ma audace: invece di cercare di simulare il cervello su microchip di silicio, possiamo lavorare direttamente con vere cellule cerebrali per costruire sistemi di calcolo più efficienti?”
Un’interfaccia neurale 3D all’avanguardia
I recenti progressi nel campo della bioingegneria hanno aperto nuove possibilità per la crescita di cellule in laboratorio che imitano fedelmente le cellule viventi presenti in organi specifici, incluso il cervello. Finora, tuttavia, integrare in modo affidabile componenti elettronici in insiemi di queste cellule coltivate in laboratorio si è rivelato difficile.
“I dispositivi esistenti catturano solo l’attività delle cellule cerebrali superficiali della rete tridimensionale di cellule cerebrali, perdendo ciò che accade all’interno della rete”, ha affermato James Sturm, autore senior dell’articolo e co-responsabile del progetto con Fu. “Ci siamo proposti di cambiare questa situazione costruendo dispositivi elettronici che si integrino direttamente in queste reti tridimensionali di cellule cerebrali.”
L’obiettivo principale di questo recente studio era sviluppare un sistema elettronico integrabile in una rete tridimensionale di cellule cerebrali coltivate in laboratorio. Un sistema di questo tipo potrebbe essere utilizzato per monitorare e guidare delicatamente l’attività delle cellule viventi, consumando al contempo una quantità minima di energia.
“Il nostro dispositivo, chiamato 3D-MIND (3D Micro-Instrumented Neural network Device), è una rete elettronica flessibile tridimensionale che può essere integrata all’interno di una rete tridimensionale vivente di cellule cerebrali”, ha spiegato Fu.
“Le cellule crescono attorno e attraverso la rete elettronica, creando un’integrazione perfetta tra la rete di cellule cerebrali e la rete stessa. Sensori integrati possono ‘ascoltare’ l’attività elettrica delle cellule cerebrali, mentre minuscoli stimolatori possono ‘comunicare’ con esse.”
Il dispositivo 3D-MIND e i suoi componenti di base si basano su materiali morbidi flessibili quanto il tessuto cerebrale. Ciò significa che può rimanere integrato all’interno di gruppi di cellule per mesi senza comprometterne il normale funzionamento.
Rispetto ad altre interfacce cervello-computer introdotte in passato, il dispositivo del team è stato progettato per essere integrato in profondità in una rete tridimensionale di cellule cerebrali. Ciò significa che può essere utilizzato per leggere e scrivere informazioni relative a queste cellule, precedentemente inaccessibili.
“Abbiamo realizzato una vera interfaccia dispositivo 3D-rete neurale 3D, in cui sensori e stimolatori elettronici sono integrati all’interno di una rete neurale biologica 3D vivente, anziché essere posizionati sulla sua superficie”, ha affermato Fu.
“Questo permette un monitoraggio stabile e a lungo termine dell’attività neurale e della connettività per un periodo di sei mesi. Poiché la rete neurale biologica è tridimensionale, presenta anche una connettività più ricca e una maggiore capacità computazionale rispetto alle tradizionali reti neurali coltivate in 2D. Abbiamo inoltre dimostrato che l’accesso alla rete neurale biologica 3D dall’interno verso l’esterno consente una stimolazione più efficace e un addestramento più rapido ed efficiente rispetto ai dispositivi piatti 2D convenzionali.”
Verso nuovi sistemi di intelligenza artificiale integrati nel cervello
Questo recente studio ha introdotto un nuovo approccio per la creazione di piattaforme che collegano sistemi elettronici a reti tridimensionali di cellule coltivate in laboratorio. Questo approccio potrebbe presto essere utilizzato per creare nuovi sistemi informatici ispirati al cervello che consumano meno energia rispetto ai sistemi di intelligenza artificiale attualmente disponibili.
“Oltre all’aspetto computazionale, questa piattaforma offre un potente strumento per studiare come i circuiti neurali si formano, si adattano e funzionano in ambienti 3D realistici”, ha affermato Sturm. “Potrebbe inoltre migliorare lo screening farmacologico offrendo modelli più fisiologicamente rilevanti e aprire nuove prospettive per la ricerca sulle malattie neurologiche in ambienti di laboratorio controllati.”
In futuro, il dispositivo 3D-MIND potrebbe essere ulteriormente perfezionato e utilizzato per studiare specifiche malattie cerebrali, modellare lo sviluppo del cervello e persino testare nuovi farmaci.
Fu e i suoi colleghi stanno attualmente lavorando per aumentare le dimensioni e la complessità del loro dispositivo introducendo più sensori ed elettrodi (ovvero, componenti che inviano segnali elettrici controllati alle cellule).
“Stiamo anche lavorando su metodi migliori per guidare l’apprendimento e l’adattamento di queste reti. Un altro obiettivo è quello di combinare questa tecnologia con altri strumenti, come l’imaging ottico, per ottenere un quadro più completo dell’attività cerebrale”, ha aggiunto Fu.
“Siamo interessati a esplorare compiti di calcolo più complessi utilizzando reti neurali biologiche viventi. Allo stesso tempo, stiamo migliorando il modo in cui i dispositivi vengono assemblati in 3D per poterli produrre in modo più affidabile. A lungo termine, speriamo di costruire sistemi pratici che combinino biologia ed elettronica per applicazioni informatiche e mediche.”
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