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Biocomputing e intelligenza organoide: oltre i limiti fisici dei computer

La creazione di computer biologici basati sui neuroni umani promette di aprire nuove frontiere della computazione, aiutandoci nel frattempo a svelare i misteri della fisiologia della mente.

L’avvento dell’intelligenza artificiale generativa e la necessità di una potenza di calcolo sempre maggiore per l’allenamento di modelli linguistici di grandi dimensioni ha reso evidenti i limiti delle soluzioni di computazione tradizionali. 

Una possibile soluzione per superare il confine imposto dalle leggi della fisica potrebbe arrivare dall’intelligenza organoide, ovvero nuovi computer basati non sui bit ma su organoidi cerebrali, grumi di cellule coltivate in laboratorio e capaci di organizzarsi, proprio come i neuroni nel cervello umano, in una rete neurale funzionante e semi-autonoma. 

Un simile computer, proprio come un cervello umano, potrebbe essere capace di una potenza di calcolo enorme. Che non si esprimerebbe in operazioni seriali, in cui i computer tradizionali battono già il nostro cervello, ma nell’elaborazione di informazioni in parallelo, il vantaggio competitivo della mente umana che nessuno strumento artificiale è ancora mai riuscito ad eguagliare e superare, nemmeno i computer quantistici.

L’intelligenza organoide, complice anche un nome un po’ inquietante, può sembrare materia da scrittori di fantascienza. In realtà gli scienziati adoperano gli organoidi già da una ventina d’anni per riprodurre in laboratorio specifici tessuti del corpo e per condurre esperimenti su reni, polmoni e altri organi “simulati”, evitando di ricorrere a test su umani o animali.

Più di recente i ricercatori della Johns Hopkins University hanno applicato lo stesso principio alle cellule cerebrali umane, creando minuscoli organoidi – grandi più o meno come la punta di una penna biro – dotati di neuroni. Lo scopo è capire come programmare questi organoidi in modo che riescano a sostenere le funzioni basilari di un cervello, come l’apprendimento e la memorizzazione delle informazioni. Gli studiosi della Johns Hopkins hanno illustrato il loro piano di ricerca in un articolo pubblicato su “Frontiers in Science”. 

“La computerizzazione e l’intelligenza artificiale hanno guidato finora la rivoluzione tecnologica, ma stanno per raggiungere i loro limiti”, ha spiegato Thomas Hartung, il ricercatore e professore della Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health che dirige gli studi presso l’istituto. “La biocomputazione rappresenta un imponente sforzo volto a miniaturizzare la potenza computazionale e ad aumentarne l’efficienza per superare i confini attuali della tecnologia.”

Per adesso Hartung e il suo team sono riusciti a creare organoidi da circa 50.000 cellule, più o meno le stesse che si trovano nel sistema nervoso centrale di un moscerino della frutta. Come prossimo passo la ricerca punta a scalare le dimensioni degli organoidi e a sfruttare la loro capacità di organizzarsi in reti neurali.

I biocomputer che si potranno creare grazie a questo processo promettono non solo di aprire la strada a una nuova forma di computazione para-biologica, ma anche e soprattutto di abbattere drasticamente le necessità energetiche dei grandi data center che oggi servono per allenare e per far girare soluzioni come chatGPT o altri modelli di IA generativa di grandi dimensioni. 

“Il supercomputer Frontier, che si trova in Kentucky ed è uno dei più recenti, è costato 600 milioni e occupa una superficie di 630 metri quadrati”, spiega Hartung. “A giugno dello scorso anno ha superato per la prima volta la capacità computazionale di un singolo cervello umano, ma utilizzando una quantità di energia milioni di volte superiore”. 

Nonostante gli sviluppi promettenti della ricerca, gli studiosi della John Hopkins sono consapevoli che potrebbe volerci ancora molto tempo prima di riuscire a eguagliare un cervello umano con un computer biologico (sempre che ci si riesca). L’aspettativa è che per arrivare a pareggiare anche solo le capacità del cervello di un topolino potrebbero essere necessari alcuni decenni.

“Servirà ancora tanto tempo prima di arrivare a qualcosa che possa essere equiparabile a un computer attuale”, ha spiegato Hartung. “Se però non iniziamo a creare fondi di investimento su questo tipo di ricerca, l’obiettivo sarà ancora più difficile da raggiungere”. 

Lo scopo delle ricerche della Johns Hopkins non è solo la realizzazione di un biocomputer, ma anche lo studio della fisiologia e del funzionamento del cervello umano su organi che ne emulino le caratteristiche in un ambiente tridimensionale. Nel breve e medio periodo gli organoidi cerebrali potrebbero aprire nuove prospettive e percorsi di ricerca per la sperimentazione di farmaci contro malattie come la demenza e l’Alzheimer. Altre ricerche che si stanno svolgendo in parallelo presso la Johns Hopkins puntano inoltre a utilizzare organoidi cerebrali derivati dalle cellule di pazienti con autismo e di pazienti sani per metterli a confronto e capire se vi siano cambiamenti fisiologici rilevanti nella formazione delle rispettive strutture neuronali.

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