Novità nel campo dell’ingegneria neuromorfica: modelli di neuroni artificiali in grado di travestirsi da cellule per migliorare la trasmissione degli impulsi nel sistema nervoso
Un nuovo settore ingegneristico
Replicare le funzioni principali delle sinapsi biologiche apre la possibilità di una più efficace interazione tra tessuti biologici e artificiali. Questa è l’idea alla base di un progetto di ricerca del centro di Napoli dell’Istituto Italiano di Tecnologia – IIT e che coinvolge gli atenei Federico II di Napoli e RWTH Aachen. Il gruppo di ricercatori è coordinato da Francesca Santoro dell’IIT, laureata federiciana illustre, nominata dalla rivista MIT Technology Review tra i 35 innovatori under 35 anni più significativi d’Europa nel 2018. Ha co-fondato il progetto di start up BRYLA ed è stata inserita tra le “100 donne che cambieranno il mondo”, tra le “Donne D dell’anno” (La Repubblica) e tra le “Unstoppable Women” (StartupItalia). A settembre 2020 la professoressa Santoro ha vinto un finanziamento ERC Starting Grant erogato dal Consiglio Europeo per la Ricerca.
«Mascherare un dispositivo artificiale da membrana cellulare consolida la teoria di utilizzare dispositivi neuromorifici integrati all’interno dei tessuti biologici»
Francesca Santoro
“L’ingegneria neuromorfica è un settore tra i più recenti e in continua evoluzione. Noi ci occupiamo di ricerca di base, quindi di indagare e caratterizzare nuovi meccanismi e dispositivi con la speranza che possano essere un punto di partenza per le tecnologie del futuro. Questo studio valida l’idea di mascherare un dispositivo artificiale con le caratteristiche peculiari delle membrane cellulari consolidando la teoria di utilizzare dispositivi neuromorifici che, benché artificiali, potrebbero effettivamente essere integrati all’interno dei tessuti biologici” dichiara Francesca Santoro.
La piattaforma funzionalizzata emula la plasticità di una sinapsi biologica.
Tra le peculiarità fisiche delle sinapsi vi è la plasticità: come il pongo, esse sono in grado di adattarsi al variare dell’ambiente interno/esterno tenendo memoria delle modifiche apportate. Cambiando per numero e intensità, in una perpetua ricerca di equilibrio, consentendo al cervello di valorizzare alcuni stimoli invece di altri. Sono diverse le strategie che vengono sondate da gruppi di ricerca in tutto il Mondo per coadiuvare la comunicazione neuronale compromessa da malattie neurodegenerative.
“Il vantaggio di una membrana biomimetica è duplice. Non solo il tessuto biologico non risentirebbe dello shock indotto da un corpo esterno, ma la struttura fosfolipidica di queste funzionalizzazioni dona ai dispositivi elettronici la capacità di tenere memoria degli stimoli esterni, imitando il comportamento plastico dei neuroni” afferma Ugo Bruno, ricercatore IIT e co-autore dello studio.
In pratica il team IIT ha riprodotto su chip elettronico biomimetico le caratteristiche del doppio strato fosfolipidico della membrana cellulare mirando al duplice obiettivo di “ingannare” il sistema nervoso spingendolo a riconoscere il dispositivo come sua parte biologica, e di ottimizzare la trasmissione migliorando la conduttività dell’impulso nervoso. Tra l’altro un neurone artificiale funzionalizzato in modo da mimare la composizione di una membrana cellulare avrebbe minor possibilità di rigetto.
Pubblicazione su Advanced Materials e prossime tappe
Lo studio sui neuroni artificiali è stato pubblicato sulla rivista internazionale Advanced Materials confermando quanto l’ingegneria neuromorfica sia un settore della ricerca in fermento.
I promettenti risultati dello studio gettano le basi per nuove ricerche sulle malattie neurodegenerative. Piattaforme biomimetiche in grado di replicare le funzioni delle sinapsi biologiche potrebbero essere impiegate come modelli laboratoriali per studiare i meccanismi alla base di patologie neurodegenerative o di altre disfunzioni sinaptiche. I dispositivi bioibridi funzionalizzati potrebbero realizzare o ripristinare connessioni neuronali ostruite. Facile immaginare applicazioni anche nelle condizioni mediche legate ad amputazioni, perché questi dispositivi potrebbero fare da ponte tra le terminazioni biologiche e i circuiti delle protesi di nuova generazione.
Il prossimo obiettivo del team è quello di elaborare un dispositivo neuromorfico provvisto di una membrana cellulare più complessa e più simile a quella di una cellula nervosa che sia anche in grado di rilasciare e ricevere neurotrasmettitori.
Il paper “Supported lipid bilayers coupled to organic neuromorphic devices modulate short-term plasticity in biomimetic synapses” (https://doi.org/10.1002/adma.202110194) è firmato da Claudia Lubrano, Ugo Bruno, Chiara Ausilio e Francesca Santoro.