Intelligenza artificiale: un chip progettato per simulare l'attività cerebrale

Per molti decenni, gli scienziati hanno sognato di creare un sistema informatico in grado di replicare il talento del cervello umano per esplorare nuove sfide.

Gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology hanno compiuto un passo importante verso questo obiettivo sviluppando un chip per computer che simula il meccanismo di adattamento dei neuroni del cervello in risposta a nuove informazioni. Questo fenomeno, noto come plasticità, è ritenuto dagli scienziati alla base di molte funzioni cerebrali, tra cui l'apprendimento e la memoria.

Circa 400 transistor e un chip di silicio possono simulare l'attività di una sinapsi cerebrale singola - una connessione tra due neuroni, che facilita il trasferimento di informazioni da un neurone all'altro. I ricercatori si aspettano che questo chip possa aiutare i neuroscienziati a imparare molto di più sul lavoro del cervello e possono anche essere usati nello sviluppo di protesi neurali, come la retina artificiale, dice il project manager Chi-Sang-poon.

Simulazione di sinapsi

Nel cervello ci sono circa 100 miliardi di neuroni, ognuno dei quali forma sinapsi con un gran numero di altri neuroni. Synapse - il divario tra due neuroni (neuroni presinaptici e postsinaptici). Il neurone presinaptico secerne i neurotrasmettitori come il glutammato e il GABA, che si legano ai recettori della membrana postsinaptica della cellula, attivando i canali ionici. L'apertura e la chiusura di questi canali porta a un cambiamento nel potenziale elettrico della cella. Se il potenziale cambia drammaticamente abbastanza, la cellula innesca un impulso elettrico chiamato potenziale d'azione.

Tutta l'attività sinaptica dipende dai canali ionici, che controllano il flusso di ioni caricati, come sodio, potassio e calcio. Questi canali sono anche fondamentali in due processi noti come potenziamento a lungo termine (LTP) e depressione a lungo termine (LLC), che rafforzano e indeboliscono rispettivamente le sinapsi.

Gli scienziati hanno sviluppato il proprio chip per computer, in modo che i transistor possano imitare l'attività di vari canali ionici. Mentre la maggior parte dei chip funziona in modalità binaria - "on / off", le correnti elettriche sul nuovo chip passano attraverso i transistor in modalità analogica. Il gradiente del potenziale elettrico fa sì che il flusso fluisca attraverso i transistor nello stesso modo in cui gli ioni passano attraverso i canali ionici nella cella.

"Possiamo regolare i parametri del circuito per la concentrazione su uno specifico canale ionico", dice Poon. "Ora abbiamo un modo per catturare ogni processo ionico che avviene nel neurone".

Il nuovo chip è un "progresso significativo negli sforzi allo studio dei neuroni biologici e plasticità sinaptica nel CMOS [Complementary Metal-Oxide-Semiconductor] chip", dice Dean Buonomano, professore di neurobiologia presso l'University of California di Los Angeles, aggiungendo che "il livello di realismo biologico è impressionante

Gli scienziati pianificano di utilizzare il proprio chip per creare sistemi per la modellazione di funzioni neurali specifiche, come un sistema di elaborazione visiva. Tali sistemi potrebbero essere molto più veloci dei computer digitali. Anche su sistemi di computer ad alte prestazioni, sono necessarie ore o giorni per simulare circuiti cerebrali semplici. Con il sistema di chip analogico, la simulazione è più veloce rispetto ai sistemi biologici.

Un'altra potenziale applicazione di questi chip, regolazione dell'interazione con sistemi biologici, come la retina artificiale e il cervello. In futuro, questi chip possono diventare blocchi standard per i dispositivi di intelligenza artificiale, afferma Poon.