Artificial Brain: le celle ultraveloci a supporto della bioingegneria

A seguito dell’annuncio di Elon Musk del progetto Neuralink, l’attenzione di molti si è concentrata sullo sviluppo di nuove nanotecnologie nel campo della medicina e della bioingegneria. Negli ultimi mesi, un gruppo di ricercatori del Micro Nano Research Facility (MNRF) di Melbourne ha realizzato una nanocella in grado di simulare il cervello umano. Nessun dispositivo si era finora avvicinato così tanto al reale comportamento del nostro encefalo, in quanto esso è in grado di basare la propria evoluzione sulle esperienze precedenti.

PUNTO DI SVOLTA: IL MEMRISTORE 

La cella ultraveloce sviluppata all’MNRF funziona come un memristore, componente passivo non lineare in grado di modificare le proprie caratteristiche elettroniche in base alla tensione ad esso applicata. A differenza delle tradizionali celle a CMOS (le quali possono rappresentare solo due stati logici, ovvero ‘1’ e ‘0’), esso permette la creazione di celle di memoria multilivello, che ben si prestano alla simulazione delle giunzioni sinaptiche. Basti pensare ad un dimmer elettrico che a differenza di un normale interruttore on/off, permette di regolare a proprio piacimento la luminosità della lampadina.

Quando una differenza di potenziale è applicata agli elettrodi, si ottiene un flusso di corrente e una conseguenza variazione della capacità di conduzione del materiale, grazie alla quale è possibile emulare un’importante funzione biologica delle sinapsi, ovvero la plasticità sinaptica (capacità del sistema nervoso di modificare l’intensità delle relazioni tra neuroni, di instaurarne di nuove e di eliminarne alcune). 

Il cambiamento dello stato resistivo può essere mantenuto anche dopo la rimozione del segnale elettrico. In questo modo, il memristore è in grado di preservare la storia degli stimoli elettrici precedentemente applicati. 

Analogamente il cervello umano, basandosi sulle esperienze passate, modifica la tendenza dell’impulso elettrico a percorrere ciascun collegamento interneurale: il cosiddetto “peso sinaptico” viene rappresentato dalla variazione della resistenza del memristore. 

MATERIALI E STRUTTURA 

La cella elettronica è stata creata su un nanofilm composto da una lega di metalli ossidati, tra cui Titanio e Stronzio, che in seguito a precedenti studi si erano dimostrati i più adatti ad applicazioni di questo tipo. Ossidando il semiconduttore (Sn, Stronzio) con molecole di TiO3, si ottiene un materiale dalla ottime proprietà memristive, amplificabili con un ulteriore drogaggio tramite atomi accettori. 

CONCLUSIONE 

Lo sviluppo di questa nuova tecnologia apre la strada non solo a strutture in grado di ospitare reti neurali e intelligenze artificiali sempre più complesse o alla progettazione di memorie sempre più piccole ma allo stesso tempo più capienti, bensì anche ad un progresso in ambito biomedico: avvicinandosi sempre di più al reale funzionamento elettrico del cervello umano, sarebbe possibile osservare più da vicino l’evoluzione di malattie neurodegenerative e, allo stesso tempo, condurre esperimenti senza preoccuparsi di barriere etiche. Dunque ci sarà da aspettarsi un continuo e crescente sviluppo delle tecnologie a memristore, il quale diventerà sempre più utilizzato in ogni ambito tecnologico per le sue immense potenzialità. 

A cura di Sebastiano Vittoria e Marco Vitali del VGen Engineering Hub