I biocomputer sono arrivati. Non sono ancora tra noi, vale a dire non sono diventati una realtà diffusa nel mondo reale e a disposizione di tutti, ma già da un po’ hanno smesso di essere pura materia di ricerca per pochi. La platea degli addetti ai lavori, con l’arrivo dei primi dispositivi sul mercato, si è allargata, aprendo le porte a nuove sperimentazioni e test per sfruttare appieno le promesse di questo metodo alternativo di computing che sfrutta la materia calcolatrice per eccellenza: i neuroni. Materia biologica che si interfaccia e si scambia informazioni con il silicio. Reply, società specializzata nello sviluppo di servizi digitali innovativi, ha messo le mani su uno di questi computer, il computer biologico CL1 sviluppato dall’australiana Cortical Labs, il primo in Europa. Insieme all’Università degli studi di Milano ha avviato una sperimentazione per addestrare questo biocomputer. Lo scopo è quello sia di migliorare l’efficienza di calcolo dei sistemi informatici attuali che di sfruttare la possibilità di programmazione dei neuroni per applicazioni cliniche, in futuro. A Wired abbiamo incontrato il team impegnato nel progetto, e questo è quello che ci hanno raccontato.
Perché un biocomputer?
Le motivazioni che muovono l’interesse e la ricerca sul biological computing hanno sostanzialmente a che fare con l’efficienza dei sistemi neuronali, difficilmente imitabile come vi abbiamo raccontato in passato. Anche dalle attuali e sorprendenti intelligenze artificiali. Non si tratta solo di processare un’enorme quantità di dati, ma anche del costo che serve per farlo: il nostro cervello, ma più correttamente in questo caso i neuroni, possono farlo spendendo meno. “I calcolatori biologici si distinguono per un’elevatissima efficienza energetica: un cervello biologico come il nostro è in grado di svolgere compiti cognitivi complessi consumando una quantità di energia estremamente ridotta – 20 Watt- soprattutto se confrontata con quella richiesta dai sistemi di calcolo digitali tradizionali- – racconta Filippo Rizzante, Chief technology officer di Reply – Riprodurre o simulare processi cognitivi analoghi su architetture basate su CPU o GPU richiede infatti risorse energetiche di gran lunga superiori, mettendo in evidenza il profondo divario di efficienza tra il calcolo biologico e quello artificiale. Questo rende il cervello una macchina straordinariamente efficiente per i calcoli che svolge, non solo quelli legati al pensiero, ma soprattutto quelli connessi al movimento e alla manipolazione degli oggetti”.
Con i biocomputer si cerca di imitare, in piccolo, questo sistema estremamente efficiente, utilizzando come cervello del computer dei neuroni. Cellule che non sono prelevate da animali, ma sono prodotte a partire da cellule staminali pluripotenti indotte, a loro volta ottenute da cellule del sangue di alcuni donatori. Come raccontano gli esperti coinvolti nel progetto, la complessità dei neuroni, la capacità di dare origine a una gamma variabile di segnali in base alla loro attività elettrica – non solo del tipo acceso o spento – la loro flessibilità e la capacità di formare moltissime connessioni, rendono gli organoidi dei sistemi estremamente più efficienti – in teoria – anche delle reti neurali artificiali più avanzate: “Nelle reti neuronali artificiali, costituite dai transistor nei circuiti integrati, per ottenere una maggiore capacità di elaborazione dobbiamo aggiungere spazio, moltiplicando i neuroni artificiali – spiega Alberto Minetti, Ordinario di Fisiologia e Biomeccanica presso l’Università degli Studi di Milano – i nostri neuroni però sono molto più complessi di quelli siliconici, motivo per cui, in teoria una rete biologica potrebbe svolgere lo stesso compito di una rete digitale con un numero inferiore di neuroni”. Nel caso di un biocomputer tipicamente si utilizzano centinaia di migliaia di neuroni, va avanti Minetti: “Quello che stiamo facendo ora è capire come utilizzare questi organoidi, sottoinsiemi piccolissimi di neuroni rispetto ai cento miliardi che abbiamo nel nostro cervello, per risolvere problemi inizialmente semplici e poi via via più complessi, programmandoli per poterli adoperare come veri computer. Il nucleo funzionante di questo sistema è biologico e lo scopo è insegnargli a generare ed eseguire un algoritmo biologico”.
Un sistema che a oggi, per come è costruito e per i limiti stessi della tecnologia, non solleva particolari criticità dal punto di vista etico, aggiunge Stefania Corti, Ordinario di Neurologia presso il Centro Dino Ferrari, Università degli Studi di Milano e direttrice della Ssd Malattie Neuromuscolari e Rare della Fondazione Irccs Ca’ Granda Ospedale Maggiore Policlinico di Milano, che partecipa al progetto: “Per riprodurre un cervello serve un numero di neuroni sicuramente superiore e una configurazione tridimensionale, qualcosa che non è ancora tecnologicamente possibile. Per avere una coscienza avremmo bisogno non solo di un numero adeguato di neuroni, ma anche di posizionamenti e connessioni nel posto giusto, con tutti gli stimoli afferenti e efferenti: sicuramente qualcosa di molto diverso da quello che noi stiamo riproducendo oggi in piccolo”.
Come è fatto un biocomputer
Prima di addentrarci in merito ai problemi che un biocomputer può risolvere ad oggi e potrebbe (con tutti i condizionali del caso), risolvere in futuro, una piccola parentesi su come è fatto. Un computer biologico è un device composto da materia morta e materia viva che si parlano. La materia viva è costituita dai neuroni, tutto il resto – la struttura che li tiene vivi, gli elettrodi che trasmettono ai neuroni gli input e ricevono gli output, l’interfaccia per comunicare e interagire con il sistema – sono componenti dei tradizionali computer. Le cellule neuronali impiegate sono organizzate in organoidi bidimensionali o tridimensionali posizionati su chip dotati di elettrodi. È per questo che ci si riferisce ai progetti di ricerca e sviluppo nel campo come intelligenza degli organoidi, Oi. “A livello operativo – spiega Giacomo Maccagni, manager di Reply – il computer biologico è un incubatore in cui l’organoide è mantenuto in coltura, con un’atmosfera e una temperatura controllate, intorno ai 37°C. Oltre ai vari cavi di rete per la connettività e alimentazione, dunque, sono presenti due connettori per i gas, azoto e anidride carbonica”.
Cosa si sta facendo adesso e quali sono le applicazioni del biocomputer
Il biocomputer CL1 arrivato a Reply è già al lavoro all’interno della sperimentazione avviata con l’Università di Milano. Nei giorni scorsi, per esempio, i ricercatori e gli ingegneri che lavorano al progetto hanno effettuato una prima partita a Pong con gli organoidi da loro allestiti, cosa che il biocomputer ha imparato a fare già da qualche tempo. Nel video che segue (scorrete fin verso la metà) si vede da un lato il visualizzatore del gioco e sulla destra la corrispondente configurazione degli elettrodi stimolati dai neuroni e usati per inviare input. Gli esperti possono configurare questo sistema per pilotare la pallina e la racchetta.
