I chip biologici, creati da cellule staminali cresciute su un computer, giocavano al popolare ‘Pong’, basato sul ping pong
I computer hanno trasformato la società e sono in grado di svolgere compiti sempre più sofisticati. Tuttavia, sono ancora lontani dall’eguagliare le capacità di un cervello umano: basti pensare che ci vorrebbero 34 centrali a carbone che generano 500 megawatt all’ora per memorizzare la stessa quantità di dati contenuta in una qualsiasi delle nostre teste in un centro di calcolo. E, invece, grazie ai nostri trilioni di connessioni neurali, siamo in grado di eseguire 15 quintilioni di operazioni al secondo utilizzando solo l’energia di una lampadina. Ecco perché il cervello rimane il modello perfetto. E perché non utilizzare i suoi componenti di base, le cellule, ”mescolate” ai classici chip di silicio, i ‘mattoni’ dei sistemi informatici odierni, per portare questi sistemi ad un altro livello? Può sembrare un’idea folle, ma è la premessa su cui lavora Cortical Labs, un laboratorio con sede a Melbourne che si definisce un “pioniere del calcolo biologico” e che ha appena pubblicato su la rivista ”Neuron” il suo primo traguardo: i suoi ‘chip viventi’ sono in grado di giocare al leggendario videogioco ‘Pong’, dimostrando che questa ibridazione tra meccanica e biologia, almeno in questo esperimento, può funzionare. Il sistema, chiamato ‘DishB rain’, contiene due tipi di cellule: da un lato, neuroni vivi raccolti da embrioni di topo; e, dall’altro, le cellule staminali pluripotenti indotte dall’uomo (o cellule staminali create da tessuti come la pelle, che “ritornano” a uno stato staminale e possono quindi “riconvertirsi” in altre cellule, in questo caso neuroni). Una volta coltivate, queste cellule sono state poste su piastre di base, dove hanno continuato a crescere e “fondersi” con il sistema elettronico. Il team di Cortical Labs, guidato dal suo direttore scientifico, Brett Kagan, ha approfittato del fatto che entrambi i circuiti condividono un linguaggio comune: l’elettricità. In particolare, nei computer con chip di silicio, i segnali elettrici viaggiano lungo fili metallici che collegano tra loro diversi componenti. Nel cervello, i neuroni comunicano tra loro usando segnali elettrici attraverso le sinapsi, che sono giunzioni tra le cellule nervose. Nel sistema DishBrain, man mano che i neuroni crescono su chip di silicio, agiscono come fili, collegando i diversi componenti. Il passo successivo è stato quello di “programmarli” per svolgere un compito specifico, in questo caso giocare al mitico “Pong “, un videogioco semplice basato sul ping pong in cui il giocatore deve colpire una pallina che rimbalza costantemente, impedendogli di toccare il fondo. Grazie alle piastre con diversi microelettrodi su cui crescevano le cellule, gli autori sono riusciti a sia leggerne l’attività che stimolarle: così, gli elettrodi venivano attivati a sinistra o a destra della matrice per dire a Dishbrain da che parte si trovava la “palla”, mentre la frequenza dei segnali indicava la distanza dalla ‘racchetta’ virtuale. Il feedback degli elettrodi ha insegnato al sistema come restituire la palla, facendo agire le cellule come se fossero la racchetta stessa. L’intero processo è stato registrato sullo schermo. “Mai prima d’ora siamo stati in grado di vedere come agiscono le cellule in un ambiente virtuale“, spiega Kagan. “Siamo riusciti a costruire un ambiente a circuito chiuso in grado di leggere cosa sta succedendo nelle cellule, stimolarle con informazioni significative e quindi modificare le cellule in modo interattivo in modo che possano effettivamente alterarsi a vicenda“, afferma l’autore. Inoltre, sottolineano gli autori, il principale vantaggio di questo approccio è che i neuroni possono cambiare forma, crescere, replicarsi o morire in risposta alle richieste del sistema. Il sistema si basa sul principio dell’energia libera, una teoria avanzata dal neuroscienziato Karl Friston poco più di un decennio fa che descrive il funzionamento di base del cervello. Secondo l’idea di Friston, le nostre cellule cerebrali tendono a evitare sorprese o “energia libera” ogni volta che possono. In questo modo, migliorano continuamente le loro previsioni e possono dare ogni volta una risposta più ottimale. Tuttavia, questa teoria è stata criticata perché è difficile da dimostrare.
Secondo gli autori, DishBrain sostiene il principio dell’energia libera. “Abbiamo affrontato una sfida quando stavamo lavorando su come istruire le cellule a seguire un certo percorso. Non abbiamo accesso diretto ai sistemi della dopamina o a qualsiasi altra cosa che possiamo utilizzare per fornire incentivi specifici in tempo reale, quindi abbiamo dovuto approfondire un livello più profondo su ciò su cui sta lavorando il professor Friston: l’entropia dell’informazione. Un livello fondamentale di informazioni su come funziona il sistema, che si auto-organizza per interagire con il suo ambiente a livello fisico“. Kagan afferma che una scoperta entusiasmante è stata che DishBrain non si comportava come i sistemi a base di silicio: “Quando abbiamo presentato informazioni strutturate ai neuroni disincarnati, abbiamo visto che hanno cambiato la loro attività in un modo molto coerente con il loro comportamento reale come sistema dinamico. Ad esempio, la capacità dei neuroni di cambiare e adattare la propria attività come risultato dell’esperienza aumenta nel tempo, coerentemente con ciò che vediamo nel tasso di apprendimento delle cellule“. In effetti, il team ha osservato come i chip hanno imparato a giocare entro cinque minuti dalla stimolazione e come i sistemi, con cellule cerebrali umane, hanno imparato a giocare più velocemente di quelli creati dalle cellule embrionali dei topi. La prospettiva futura di questo lavoro, secondo gli autori, risiede nella modellazione delle malattie, nella scoperta di farmaci e nell’ampliamento della comprensione attuale di come funziona il cervello e di come nasce l’intelligenza. “DishBrain offre un approccio più semplice per testare come funziona il cervello e ottenere informazioni su condizioni come l’epilessia e la demenza“, ha concluso Hon Weng Chong , CEO di Cortical Labs.
