Neuroni artificiali stampati che comunicano con cellule cerebrali viventi
Un gruppo di ingegneri della Northwestern University ha sviluppato neuroni artificiali stampati, capaci di generare segnali elettrici talmente realistici da attivare neuroni biologici in tessuto cerebrale di topo. A differenza dei tradizionali chip al silicio, questi neuroni artificiali sono dispositivi flessibili e a basso costo, prodotti con tecniche di stampa avanzata, che mimano non solo l’ampiezza, ma anche la forma temporale e la complessità degli impulsi neurali, consentendo un dialogo bidirezionale tra elettronica e tessuto nervoso.
Il ruolo della Northwestern University e di Mark Hersam
Lo studio è stato guidato da Mark Hersam, professore alla McCormick School of Engineering della Northwestern University, con un team interdisciplinare che unisce competenze in materiali elettronici, fisica, neuroscienze e ingegneria biomedica. Il gruppo ha lavorato per progettare dispositivi che non si limitano a registrare l’attività elettrica, ma che possano anche riprodurre pattern di segnale complessi, paragonabili a quelli che i neuroni biologici usano per comunicare all’interno di reti neurali.
Nei test condotti su sezioni di tessuto cerebrale murino, gli impulsi generati dai neuroni artificiali hanno attivato con successo i neuroni viventi, dimostrando una compatibilità funzionale che va oltre la semplice stimolazione elettrica grezza tipica di molti elettrodi convenzionali. Questa capacità di “parlare la stessa lingua elettrica” del cervello rende i dispositivi potenzialmente adatti per future interfacce cervello‑macchina più selettive e meno invasive, con un controllo fine delle modalità di stimolazione.
Materiali utilizzati: elettronica flessibile e molibdeno disolfuro (MoS₂)
I neuroni artificiali della Northwestern University sfruttano materiali semiconduttori a base di film sottili, tra cui il molibdeno disolfuro, integrati su supporti flessibili che possono conformarsi a superfici curve come quelle del tessuto cerebrale. Il molibdeno disolfuro e materiali affini consentono di realizzare dispositivi che operano a basse tensioni, con consumi energetici ridotti e una risposta sufficientemente veloce da riprodurre la dinamica degli spike neurali, superando alcune limitazioni dei transistor al silicio rigidi.
La struttura dei neuroni artificiali non replica il singolo canale ionico del neurone biologico, ma combina elementi elettronici che, nel loro insieme, generano impulsi con profili temporali simili a quelli osservati in neuroni vivi, incluse fasi di depolarizzazione e ripolarizzazione. L’architettura è pensata per essere scalabile, così da potere, in prospettiva, realizzare reti di neuroni artificiali stampati integrabili con array di elettrodi o sensori stampati in 3D che operano a contatto con il cervello o con altri tessuti elettrogeni.
Processo di stampa: dall’aerosol jet printing alla manifattura additiva su film sottili
La fabbricazione dei neuroni artificiali si basa su tecniche di stampa elettronica avanzata, tra cui l’aerosol jet printing, che permette di depositare inchiostri contenenti materiali conduttivi e semiconduttivi su substrati flessibili con elevata precisione geometrica. Questo approccio additivo consente di posizionare il materiale solo dove serve, riducendo gli sprechi e permettendo di progettare dispositivi con topologie complesse, curvabili e potenzialmente adattabili a diverse anatomie.
La strategia di utilizzo di stampa additiva su film sottili si affianca a una più ampia tendenza nella ricerca sulle interfacce neurali, in cui la stampa 3D e tecniche ibride vengono impiegate per cerotti neurali, impianti personalizzati e array di elettrodi morbidi che seguono la superficie del cervello o del midollo spinale. In questo contesto, i neuroni artificiali stampati della Northwestern University rappresentano un ulteriore passo nella direzione di dispositivi neurali individualizzati, progettati e realizzati con tecnologie additive per ottimizzare l’aderenza meccanica e la compatibilità elettrica con il tessuto nervoso.
Esperimenti su tessuto cerebrale di topo: dimostrazione del “dialogo” neurale
Per verificare la capacità dei neuroni artificiali di comunicare con il cervello, i ricercatori hanno utilizzato sezioni di tessuto cerebrale murino mantenute vitali in laboratorio e hanno interfacciato i dispositivi con queste fette di cervello. I neuroni artificiali sono stati programmati per generare serie di impulsi elettrici specifici, osservando come i neuroni biologici rispondessero attraverso potenziali d’azione registrati con tecniche elettrofisiologiche standard.
I risultati hanno mostrato che gli impulsi emessi dai neuroni artificiali erano sufficientemente realistici da innescare attività nei neuroni viventi, suggerendo una compatibilità funzionale che va oltre l’erogazione di semplici stimoli a onda quadra o sinusoidali. Questa capacità di modulare la stimolazione in modo più sofisticato richiama il lavoro di altre piattaforme di impianti neurali stampati in 3D, come le interfacce personalizzate o gli elettrodi morbidi che mirano a ridurre l’infiammazione e a migliorare la qualità del segnale intracorticale nel lungo termine.
Implicazioni per neuroprotesi, interfacce cervello‑macchina e hardware per l’intelligenza artificiale
Gli sviluppatori dei neuroni artificiali stampati evidenziano tre aree di applicazione principali: neuroprotesi, interfacce cervello‑macchina ad alta risoluzione e nuovi hardware per l’intelligenza artificiale a basso consumo. Dal punto di vista delle neuroprotesi, la possibilità di generare pattern di stimolazione più “naturali” potrebbe migliorare il controllo di protesi motorie o dispositivi di neuromodulazione, con minore affaticamento e maggiore specificità selettiva dei neuroni coinvolti rispetto ai sistemi di stimolazione attuali.
In ambito di intelligenza artificiale, i neuroni artificiali stampati rappresentano una possibile base per sistemi neuromorfici più vicini al funzionamento del cervello, in cui il calcolo avviene attraverso architetture distribuite di dispositivi che emulano il comportamento di neuroni e sinapsi con un consumo energetico molto inferiore a quello dei data center digitali. Queste prospettive si inseriscono in un quadro più ampio in cui la stampa 3D e la biostampa vengono già utilizzate per creare modelli di tessuto cerebrale, reti di cellule nervose viventi e modelli 3D per lo studio di tumori cerebrali, suggerendo una convergenza tra hardware neuromorfico, bioprinting e modelli in vitro complessi.
