Maggio 22, 2024

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Le reti di nanofili imparano e ricordano come il cervello umano

Le reti di nanofili imparano e ricordano come il cervello umano

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Immagine di una rete di nanofili (a sinistra), traiettorie di rete che cambiano e si rafforzano (a destra). Credito: Alon Loeffler

Un team internazionale guidato da scienziati dell’Università di Sydney ha dimostrato che le reti di nanofili possono proiettare la memoria sia a breve che a lungo termine come il cervello umano.

La ricerca è stata pubblicata oggi sulla rivista La scienza avanzaGuidato dal Dr. Alon Loeffler, Ph.D. nella Facoltà di Fisica, con collaboratori in Giappone.

“In questa ricerca abbiamo scoperto che la funzione cognitiva di ordine superiore, che normalmente associamo al cervello umano, può essere simulata in dispositivi non biologici”, ha affermato il dott. Loeffler.

“Questo lavoro si basa sulla nostra precedente ricerca in cui abbiamo mostrato come la nanotecnologia può essere utilizzata per costruire un dispositivo elettrico ispirato al cervello con circuiti simili a reti neurali e segnali simili a sinapsi.

“Il nostro lavoro attuale apre la strada alla replica dell’apprendimento e della memoria simili al cervello in sistemi hardware non biologici e suggerisce che la natura alla base dell’intelligenza simile al cervello potrebbe essere fisica”.

Le reti di nanocavi sono un tipo di nanotecnologia generalmente costituita da fili d’argento molto sottili, invisibili a occhio nudo, ricoperti da un materiale plastico e sparsi l’uno sull’altro come una rete. I fili imitano aspetti della struttura fisica interconnessa del cervello umano.

Rete neurale (a sinistra) e rete di nanofili (a destra). Credito: Loeffler et al.

I progressi nelle reti di nanofili potrebbero essere promettenti per molte applicazioni del mondo reale, come il miglioramento di robot o sensori che devono prendere decisioni rapide in ambienti imprevedibili.

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“Questa rete di nanofili è simile a una rete neurale artificiale perché i nanofili agiscono come neuroni e i punti in cui si connettono tra loro sono simili alle sinapsi”, ha affermato la professoressa Zdenka Koncic, ricercatrice senior presso la School of Physics.

“Invece di svolgere una sorta di compito di apprendimento automatico, in questo studio il dott. Loeffler ha fatto un ulteriore passo avanti e ha cercato di dimostrare che le reti di nanofili mostrano un qualche tipo di funzione cognitiva”.

Per testare le capacità della rete di nanofili, i ricercatori gli hanno sottoposto un test simile a un compito di memoria comune utilizzato negli esperimenti di psicologia umana, chiamato compito N-Back.

Per una persona, un’attività N-Back potrebbe comportare il ricordo di un’immagine specifica di un gatto da una serie di immagini di gatti mostrate in sequenza. Un punteggio N-Back di 7, che è la media per le persone, indica che una persona può riconoscere la stessa immagine mostrata sette passi indietro.

Quando applicato alla rete di nanofili, i ricercatori hanno scoperto che potrebbe “ricordare” l’endpoint desiderato in un circuito elettrico sette passi indietro, il che significherebbe un punteggio di 7 nel test N-Back.

I percorsi dei nanofili cambiano e si rafforzano nel tempo. Credito: Dott. Alon Loeffler

“Quello che abbiamo fatto qui è stato manipolare la tensione degli elettrodi terminali per forzare le traiettorie a cambiare, piuttosto che lasciare che la rete faccia le sue cose. Abbiamo forzato le traiettorie ad andare dove vogliamo che vadano”, ha detto il dottor Loeffler. .

“Quando l’abbiamo fatto, la sua memoria era molto più alta della risoluzione e non si è realmente degradata nel tempo, il che suggerisce che abbiamo trovato un modo per rafforzare i percorsi per spingerli dove li vogliamo, e quindi la rete li ricorda.

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“I neuroscienziati credono che questo sia il modo in cui funziona il cervello, alcune connessioni sinaptiche sono rafforzate mentre altre sono indebolite, e si ritiene che questo sia il modo in cui ricordiamo preferenzialmente certe cose, come impariamo e così via”.

Quando la rete di nanofili viene costantemente rinforzata, hanno detto i ricercatori, raggiunge un punto in cui quel rinforzo non è più necessario perché le informazioni vengono consolidate nella memoria.

“È un po’ la differenza tra la memoria a lungo termine e la memoria a breve termine nel nostro cervello”, ha detto il professor Koncic.

“Se vogliamo ricordare qualcosa per un lungo periodo di tempo, dobbiamo davvero continuare ad allenare il nostro cervello per consolidarlo, altrimenti semplicemente svanisce nel tempo.

“Un compito ha dimostrato che una rete di nanofili può memorizzare fino a sette elementi in memoria a livelli molto al di sopra dei livelli casuali senza addestramento di rinforzo e con una precisione quasi perfetta con l’addestramento di rinforzo”.

maggiori informazioni:
Elon Loeffler et al., Apprendimento neurale, memoria di lavoro e metaplasticità nelle reti di nanofili, La scienza avanza (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg3289. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg3289

Informazioni sulla rivista:
La scienza avanza