Un gruppo internazionale coordinato dall’Istituto di nanotecnologia del Cnr di Roma ha sviluppato una nuova classe di sinapsi artificiali organiche, dispositivi progettati per riprodurre alcune funzioni delle connessioni tra neuroni. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Communications Materials, appartenente al gruppo Nature Portfolio, e nasce dalla collaborazione con la Northwestern University negli Stati Uniti, dove i dispositivi sono stati realizzati.
Polimeri per elettroni e segnali biologici
Il risultato si basa su polimeri capaci di trasportare contemporaneamente cariche elettriche, cioè elettroni, e segnali biologici legati agli ioni. Secondo il gruppo di ricerca, le proprietà di conduzione possono essere regolate attraverso la chimica del materiale, intervenendo sulla morfologia e sulla struttura dei polimeri senza aggiungere sovrastrutture o circuiti esterni.
«Il principale risultato riguarda la capacità di riprodurre non solo l’apprendimento (learning), ma anche l’oblio (forgetting), una funzione fondamentale dei neuroni»
Il coordinatore scientifico dello studio, Pierluigi Cossari, ricercatore del Cnr-Nanotec, ha spiegato che le sinapsi artificiali ottenute sono in grado di interagire direttamente con la dopamina, il neurotrasmettitore coinvolto nei processi di apprendimento. L’obiettivo della ricerca non è quindi limitato alla trasmissione di un segnale: il dispositivo è stato studiato per modificare nel tempo il proprio comportamento, in modo analogo ad alcuni meccanismi osservati nei sistemi biologici.
Otto stati per modulare la perdita dell’informazione
Il sistema impiega tre polimeri, indicati nello studio come PEDOT:PSS:Nafion. Modificando la composizione chimica del materiale, i ricercatori hanno ottenuto otto stati differenti. Questa configurazione permette di controllare con maggiore precisione la velocità e il tempo con cui la risposta della sinapsi artificiale diminuisce dopo l’apprendimento, un processo definito synaptic decay.
- Il dispositivo trasporta elettroni e ioni nello stesso materiale.
- La sua attività può interagire con la dopamina.
- La struttura a tre polimeri consente di regolare otto stati di funzionamento e il tempo di oblio.
Nei test, il nuovo sistema ha mostrato prestazioni superiori rispetto a quelle basate sul PEDOT:PSS, uno dei polimeri conduttivi più studiati e utilizzati nell’elettronica organica. La possibilità di regolare anche l’oblio viene considerata dai ricercatori una caratteristica importante: nei sistemi biologici, infatti, la cancellazione o l’indebolimento di alcune informazioni contribuisce alla gestione delle risorse disponibili.
Verso dispositivi neuromorfici
La ricerca si inserisce nello sviluppo di sistemi elettronici ispirati al funzionamento del cervello. L’impiego di materiali capaci di gestire insieme componenti elettriche e biologiche punta a realizzare dispositivi più adattabili e a ridurre la necessità di circuiti esterni. Secondo gli autori, questi risultati aprono la strada a computer in grado di elaborare informazioni complesse molto rapidamente e con consumi energetici ridotti. Il lavoro, però, descrive una tecnologia sperimentale: le prestazioni osservate riguardano i dispositivi sviluppati e testati nell’ambito dello studio.
