Un gruppo di ricercatori italiani dell’Istituto dei materiali per l’elettronica ed il magnetismo del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Imem),  hanno realizzato, per la prima volta, connessioni sinaptiche artificiali, grazie ad un dispositivo elettronico, chiamato memristore, che consente la comunicazione tra neuroni in modo analogo a quanto avviene in natura. Tutto ciò significa che un domani potremmo aver protesi artificiali per cervelli danneggiati.

Cos’è e come funziona una sinapsi?

Una sinapsi è una struttura biologica che connette due neuroni stabilendo tra essi un flusso di informazioni specifico e unidirezionale: si tratta di connessioni fondamentali che rendono possibili le funzioni neuronali essenziali come l’apprendimento e la memorizzazione. Ogni cellula nervosa (neurone) è costituita da una parte più larga, il corpo cellulare, e da filamenti, detti assoni, lungo i quali l’impulso nervoso si propaga grazie a piccoli e brevi cambiamenti del potenziale elettrico della membrana cellulare.

I filamenti o assoni terminano con una zona allargata, detta bottone sinaptico, che generalmente poggia o si trova molto vicino al corpo cellulare di un altro neurone. Quando l’impulso arriva in questa area, provoca l’emissione di particolari sostanze, chiamate neurotrasmettitori. Questi si diffondono nello spazio esistente tra le due cellule e vengono raccolti dalla cellula successiva, nella quale provocano un’onda di depolarizzazione, cioè una variazione nella distribuzione delle cariche elettriche. In questo modo il segnale passa da una cellula all’altra.

Lo studio condotto dai ricercatori del Cnr-Imem

Grazie allo studio,pubblicato su Advanced Materials Technologies, condotto dai ricercatori del Cnr-Imem Silvia Battistoni, Victor Erokhin e Salvatore Iannotta, è stato possibile realizzare  memristori organici, dispositivi in grado di trattenere una memoria della corrente passata al loro interno e perciò in grado di emulare il comportamento sinaptico di memorizzazione e apprendimento delle cellule neuronali naturali. La dichiarazione di Salvatore Iannotta, ricercatore del Cnr-Imem, non lascia dubbi sull’incredibile risultato:

I risultati dimostrano l’effettiva interfaccia funzionale ‘neurone-memristore-neurone’, in cui il dispositivo gioca il ruolo di una sinapsi, consentendo la comunicazione tra le due cellule in modo pressoché analogo a quanto avviene in natura con un importante cambio di paradigma rispetto all’approccio consolidato basato su microelettrodi. Dettagli molto rilevanti della comunicazione interneuronale sono riprodotti, sia dal punto di vista dell’eccitazione reciproca tra i neuroni sia nel dettaglio dell’evoluzione temporale.

Un importante traguardo della ricerca italiana: per la prima volta è stata realizzata la connessione sinaptica tra neuroni tramite un dispositivo elettronico (memristore), sviluppato da polimeri,  abilitando la diretta comunicazione tra neuroni in modo artificiale e aprendo prospettive nelle interfacce brain-computer e nella protesica di nuova generazione. 

Nella sperimentazione i ricercatori hanno usato registrazioni patch-clamp da coppie non collegate di neuroni piramidali di strato 5 corticali in sezioni di cervello di ratto. Dopo aver verificato che non erano collegate da sinapsi naturali in entrambe le direzioni, tali coppie di neuroni sono state poi collegate attraverso un circuito elettronico con l’organic memristive devices , che ha giocato il ruolo di una reale sinapsi. 

Il dispositivo in questione è un elemento elettrochimico polimerico, che ha due terminali per la connessione nei circuiti elettrici e che visualizza le caratteristiche di isteresi e di raddrizzamento. La struttura del memristore realizzato comprende, infatti, un polimero-polianilina conduttore (PANI), con un solido polietilenossido (PEO) drogato con sale e litio elettrolitico, e le sue caratteristiche memoriali sono basate sull’elevata differenza di conduttività PANI nelle forme ossidate e ridotte.

In base alle osservazioni sperimentali i ricercatori hanno concluso che l’accoppiamento del memristore organico è caratterizzato da relazioni non lineari determinate dai valori istantanei della resistenza del memristore stesso che può essere controllata dall’ attività neuronale e dalla soglia di eccitazione nel neurone postsinaptico. Inoltre l’accoppiamento del memristore  ha anche caratteristiche di temporizzazione spike simili a quelle delle sinapsi eccitatorie naturali. Infine le sinapsi realizzate con memristore supportano le oscillazioni delta sincronizzate nella rete a due neuroni. Tutto ciò quindi significa che l’utilizzo del memristore organico consente la realizzazione di sinapsi protesiche e la costruzione di reti neuronali ibride dotate di capacità di apprendimento, memoria e calcolo.

Conclusioni e prospettive future

l lavoro condotto dal Cnr-Imem, in collaborazione con Università di Kazan (Russia) e con Institut de Neurobiologie de la Méditerranée Inmed (Francia), è stato realizzato nell’ambito del progetto ‘Madelena’ (Developing and studying novel intelligent nano materials and devices towards adaptive electronics and neuroscience applications) ed è stato finanziato dalla provincia autonoma di Trento.

I risultati ottenuti rappresentano una importante base di riferimento per la realizzazione di protesi sinaptiche per il ripristino della funzionalità in caso di incidente, di malattie neurodegenerative, di disfunzioni delle sinapsi e per lo sviluppo di interfacce ‘brain-computer’ di nuova generazione”. Insomma, un domani questo dispositivo potrebbe realizzare reti neurali artificiali in grado di memorizzare e apprendere, da utilizzare come protesi nei cervelli danneggiati.

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