> FocusUnimore > numero 6 – luglio-agosto 2020
L’Intelligenza artificiale e le patologie neurodegenerative sono alla base di alcuni importanti progetti di ricerca di Unimore che proiettano l’Ateneo verso una nuova dimensione di studio, la frontiera tra nanoelettronica e neuroscienze, in cui l’alta tecnologia e la perfezione del cervello viaggiano come treni su binari paralleli che si intersecano e si allontanano per creare una fitta rete di interscambi tra il mondo nano tecno-elettronico e quello neuro scientifico. Si tratta di progetti futuristici che vedono coinvolti due dipartimenti, quello di Ingegneria “Enzo Ferrari” – DIEF e quello di Scienze Biomediche, Metaboliche e Neuroscienze.
I due progetti, diversi per approccio e scopo, seguiti dal DIEF, sono BeFerroSynaptic e IN-FET: contribuiscono ai nuovi sviluppi delle tecnologie nanoelettroniche ispirati dal funzionamento dei sistemi biologici, per far progredire i sistemi di calcolo e le neuroscienze.
BeFerroSynaptic, mira a dimostrare la fattibilità di un nuovo tipo di processore ad alte prestazioni e bassissimo consumo di energia per applicazioni di intelligenza artificiale nei nodi terminali (edge) dell’Internet of Things, un problema cruciale dell’intelligenza artificiale pervasiva.
Oggigiorno, infatti, gli algoritmi di Intelligenza Artificiale per il riconoscimento di immagini e parlato, per l’elaborazione dei segnali di sensori intelligenti, per la guida autonoma o la diagnosi medica, richiedono piattaforme di elaborazione di grandi dimensioni. I consumi di energia elettrica per il loro funzionamento contribuiscono pesantemente alle emissioni di CO2. I dispositivi personali portatili come gli smartphones, invece, non hanno né la potenza di calcolo, né la disponibilità di energia, né la complessità che sarebbero necessarie per sostenere questi algoritmi. Per questo motivo, smartphones e assistenti virtuali (ad esempio Siri di Apple) devono trasferire al cloud grandi moli di dati la cui elaborazione sarebbe impossibile da effettuare localmente, aggravando in questo modo consumi e impatto energetico. Anche la sicurezza dei dati è potenzialmente a rischio nel momento in cui questi vengono trasferiti. Diversamente, il cervello umano è in grado di svolgere compiti anche più complessi con un bassissimo consumo energetico, poco più di quello di una moderna lampadina.
BeFerroSynaptic contribuirà a risolvere il problema sviluppando un processore a bassissimo consumo di potenza, ispirato al funzionamento del cervello umano, da utilizzare nei dispositivi portatili alimentati a batteria, per applicare in loco gli algoritmi di AI e ridurre drasticamente la quantità di dati che devono essere trasmessi al cloud.
La chiave di volta consiste nel lasciarsi alle spalle l’architettura dei computer tradizionali per ispirarsi al modo in cui il cervello umano manipola le informazioni. L’aspetto cruciale è quello di utilizzare dispositivi elettronici innovativi che funzionano in analogia alle sinapsi tra neuroni, e quello di combinare le funzioni della memoria con quelle dell’unità di calcolo. Per ottenere questo risultato sarà sviluppata una tecnologia d’avanguardia completamente integrata con la nanoelettronica convenzionale utilizzando materiali cosiddetti “ferroelettrici” a base di ossido di afnio e zirconio (HZO). Per moltiplicare le probabilità di successo saranno studiati due possibili elementi “ferrosinaptici“: i transistors ferroelettrici a effetto di campo – FeFET – e le giunzioni tunnel ferroelettriche – FTJ. I dispositivi “ferrosinaptici” saranno integrati in una piattaforma tecnologica industriale tradizionale. L’obiettivo finale è dimostrare le prestazioni superiori delle tecnologie “ferrosinaptiche” costruendo un processore neuromorfico a bassissima potenza.
L’altro progetto del DIEF si chiama IN-FET e punta a realizzare il prototipo di una nuova piattaforma per stimolare e rilevare, modulandola, l’attività delle cellule nervose nell’ottica del trattamento di malattie neurologiche come l’epilessia e il morbo di Parkinson. La micro- e nano-elettronica servirà a realizzare una matrice di elettrodi sensori dell’attività neuronale integrata con una seconda matrice di dispositivi in grado di rilasciare ioni in modo elettronicamente controllato.
Questo sistema di stimolazione, e misura dei neuroni, dovrebbe permettere di superare alcuni limiti delle attuali tecnologie (basate su stimolazione puramente elettrica), e di avvicinarsi, a condizioni più rappresentative, a ciò che effettivamente avviene nel cervello. La speranza dei ricercatori è quella di riuscire a modulare, attenuandola o aumentandola, l’attività di reti di cellule nervose al fine di contenere gli effetti di alcuni disordini neurologici quali l’epilessia che colpisce più di 50 milioni di persone nel mondo, caratterizzandosi una delle malattie neurologiche più comuni. Attualmente, purtroppo, i trattamenti farmacologici utilizzati risultano inefficaci in percentuali che vanno dal 7% al 20% dei bambini colpiti; negli adulti poi, la resistenza al farmaco raggiunge valori fino al 30% o 40%.
IN-FET si concentrerà, dunque, sui messaggeri protagonisti della comunicazione tra le cellule nervose: gli ioni, come il magnesio, il potassio e il calcio. Nell’epilessia, per esempio, si verifica una ipereccitabilità di alcune cellule cerebrali che dipende proprio dal flusso di ioni. I nuovi sistemi sviluppati potrebbero catturare alcuni ioni in modo che non possano più eccitare le cellule. Le armi oggi utilizzate per ristabilire o riparare le funzioni neuronali fanno uso di farmaci, manipolazione genetica o impulsi elettrici, magnetici o ottici mirati. Questi metodi, che si potrebbero, definire “innaturali” nel regolare l’attività delle cellule, generano numerosi seri effetti indesiderati.
L’idea base di IN-FET è di usare ciò che il cervello impiega normalmente per lavorare: gli ioni. Il progetto, infatti, fa suo tale principio di base per sviluppare dei dispositivi in grado di modificare la concentrazione degli ioni più comuni su scala microscopica. Questi dispositivi saranno anche in grado di misurare l’attività elettrica dei neuroni e agire attivamente per correggerla in caso di necessità. Un lavoro, questo, reso possibile dalle conoscenze acquisite e dai recenti progressi in un ambito totalmente diverso: quello delle batterie elettroniche di nuova generazione che utilizzano efficientissimi “polimeri elettroattivati”. Questi polimeri sarebbero usati come recipienti per raccogliere o rilasciare specifici ioni nelle aree che circondano i neuroni. Così facendo i ricercatori potrebbero modulare l’attività delle cellule nervose utilizzando il loro stesso linguaggio, quello che usano normalmente per comunicare. In questo modo si potrebbero trattare malattie neurologiche attraverso un sistema, per così dire, naturale. Rispetto agli approcci utilizzati oggigiorno, si tratta di un netto cambio di prospettiva. Testando questi dispositivi su cellule nervose, in vitro, il progetto IN-FET vuole verificare se questa prospettiva è corretta.
Il raggiungimento di questi obiettivi ambiziosi è supportato dalla struttura bilanciata dei consorzi di ricerca, che catalizzano competenze nei campi delle neuroscienze, della scienza dei materiali e dello sviluppo dei dispositivi elettronici e ion-tronici, nella loro modellazione, simulazione e progettazione. È in questi ultimi ambiti, in particolare, che si colloca il contributo dei ricercatori di elettronica di Unimore. Loro sarà il compito di sviluppare modelli per simulare il comportamento dei dispositivi elettronici e ion-tronici e validarli sperimentalmente per sostenere la progettazione e l’ottimizzazione dei nuovi componenti.
I due progetti sono stati recentemente finanziati dalla Commissione Europea nell’ambito del programma H2020 per un totale di oltre 7 milioni di euro ed entrambi beneficiano dell’azione di coordinamento svolta dal Consorzio Nazionale Interuniversitario per la Nanoelettronica (IU.NET), partecipato da Unimore, che si conferma un interessante strumento di potenziamento delle opportunità di partecipazione a grandi network internazionali.
Spostando lo sguardo a ciò che si muove nell’ambito del Dipartimento di Scienze Biomediche, Metaboliche e Neuroscienze troviamo due progetti che si inseriscono in un mondo di ricerca che solo pochi anni fa poteva essere inimmaginabile o fantascientifico: HERMES e Smart-Brain.
Questi due progetti si occupano di tessuto cerebrale in modi molto diversi: il primo per studiare la possibilità di rigenerare tessuti cerebrali non solo in laboratorio, ma anche attraverso l’utilizzo di protesi neuromorfe; mentre il secondo per studiarne l’organizzazione attraverso tecniche di microscopia ottica e l’utilizzo di tecniche innovative di imaging basate su AI.
Il progetto HERMES mira a rigenerare il tessuto cerebrale danneggiato e allenare i neuroni a un corretto funzionamento attraverso l’uso combinato di componenti biologiche e artificiali.
Si partirà dalla cura dell’epilessia, ma, se la ricerca dovesse dare i risultati sperati, le prospettive si allargheranno anche ad altre condizioni patologiche in cui vi sia un danno irrimediabile al cervello, come traumi, ictus e malattie neurodegenerative.
Almeno cinquecentomila italiani soffrono di epilessia e un terzo di questi non risponde alle terapie farmacologiche. Inoltre, quando l’area compromessa è troppo estesa e diffusa nel cervello, i pazienti non possono essere considerati buoni candidati per la chirurgia.
In HERMES gli scienziati studieranno l’epilessia del lobo temporale: una forma particolarmente grave di epilessia poiché è spesso resistente alle attuali terapie farmacologiche, e, inoltre, coinvolge aree del cervello, come l’ippocampo, deputate all’apprendimento, alla memoria e al controllo emozionale. HERMES avrà proprio l’obiettivo di ricostruire la parte di ippocampo danneggiata da questa forma di epilessia. I ricercatori creeranno da una parte il tessuto dell’ippocampo in laboratorio, e dall’altra una neuroprotesi neuromorfa, ovvero un dispositivo elettronico che imita il comportamento dei neuroni. I due costrutti artificiali, uno biologico e l’altro elettronico, saranno impiantati nel cervello nella zona danneggiata. La neuroprotesi, munita di intelligenza artificiale, guiderà il tessuto impiantato in una corretta integrazione con l’ambiente naturale evitando le alterazioni tipiche dell’epilessia. Il dispositivo servirà, quindi, da “allenatore” per il tessuto ricreato in laboratorio e sarà dismesso una volta instaurata una completa rigenerazione dell’area cerebrale ed il recupero della sua normale funzione.
L’obiettivo è dimostrare che è possibile instaurare un dialogo tra sistemi biologici e sistemi artificiali, così da ottenere tecnologie bioibride per la cura del cervello malato. L’approccio utilizzato mira a superare la medicina rigenerativa come approccio puramente biologico: è necessario aiutare il nuovo tessuto ad integrarsi correttamente nel cervello ospite approdando alla medicina rigenerativa potenziata.
Il progetto HERMES è coordinato dall’IIT-Istituto Italiano di Tecnologia ed ha ricevuto un finanziamento di oltre 8 milioni di euro dalla Commissione Europea nell’ambito dei progetti tecnologicamente più ambiziosi, i FET-Future and Emerging Technologies.
Il consorzio comprende 12 partner in tutta Europa, tra cui oltre a IIT e Unimore, l’Università degli Studi di Verona, il Politecnico di Milano, Eurokleis S.r.l., Agencia Estatal Consejo Superior de Investigaciones cientificas (Madrid, Spagna), Aarhus Universitet (Aarhus, Danimarca), University of Glasgow (Glasgow, Regno Unito), TTY-Saatio (Tampere, Finlandia), Fundacion Instituto de Estudios de Ciencias de la Salud de Castilla y Leon e Universidad de Salamanca (Soria, Spagna), Stichting Katholieke Universiteit (Nijmegen, Paesi Bassi), Den Institute (Bruxelles, Belgio).
Più in particolare, gli istituti italiani contribuiranno al progetto in modo sinergico: IIT con l’ingegneria tissutale e l’analisi dei segnali elettrici generati dai neuroni in vitro, l’Università di Verona con lo studio della neurogenesi e delle cellule staminali, Unimore con l’analisi dei segnali elettrici generati dal cervello in vivo, il Politecnico di Milano con l’ingegnerizzazione di circuiti neuromorfici. Eurokleis seguirà gli aspetti della comunicazione e della gestione dei processi di innovazione attivati dal progetto.
L’unità modenese, che sarà guidata dalla Professoressa Giulia Curia del Dipartimento di Scienze Biomediche, Metaboliche e Neuroscienze di Unimore, avrà il fondamentale compito di fornire i segnali elettroencefalografici che andranno ad “istruire” l’intelligenza artificiale utile per allenare la neuroprotesi ad integrare correttamente il tessuto ricreato in laboratorio col tessuto ospite con lo scopo ultimo di ripristinare il normale funzionamento dei circuiti cerebrali compromessi nell’epilessia.
L’altro progetto del Dipartimento NeuroMed è Smart Brain, uno dei sei progetti selezionati per diventare partner del progetto Europeo Flagship “The human brain project”, che si propone di ricostruire in silicio il funzionamento del cervello umano, al quale è già stato dedicato un approfondimento nel primo numero di FocusUnimore e alla cui lettura rinviamo:https://www.focus.unimore.it/gennaio-2020/.
Partner progetti DIEF:
Partener in comune: IBM Research di Zurigo (pioniere del settore con uno dei primi processori neuromorfici avanzati quali TrueNorth),
BeFerroSynaptic, annovera nel suo consorzio NaMLab (Germania), che dal 2008 è leader mondiale nel campo dei dispositivi ferroelettrici, CEA-LETI (Francia), istituto di ricerca tra i più equipaggiati in Europa in ambito semiconduttori, le Università di Zurigo (Svizzera), Udine (Italia) e Gröningen (Germania) che partecipano al co-sviluppo del processore neuromorfico. X-FAB (Germania) fabbricherà i circuiti “neuro-ispirati” e li consegnerà a IBM e HZB (Germania) per l’integrazione dei dispositivi sinaptici ferroelettrici su chip.
IN-FET ha nella sua compagine anche l’Università di Sheffield, impegnata nello sviluppo di dispositivi per il rilascio di ioni, l’Università di Ginevra (che assieme a Unimore e l’Università di Udine creerà i modelli teorici necessari), e Multi Channel Systems, una SME coinvolta nella realizzazione dei sistemi di acquisizione dei segnali; tutti sotto la supervisione del coordinatore, appartenente alla SISSA di Trieste, cui spetterà anche il compito di svolgere gli esperimenti conclusivi di validazione della metodica sulle cellule nervose.
Informazioni sui progetti:
BeFerroSynaptic
Pagina web: www.beferrosynaptic.euFacebook: www.facebook.com/BeFerroSynaptic
LinkedIn: www.linkedin.com/groups/8909110/
Instagram: www.instagram.com/BeFerroSynaptic
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Contatti Unimore BeFerroSynaptic: francescomaria.puglisi@unimore.it
IN-FET
Pagina web: www.in-fet.euFacebook: www.facebook.com/infetproject/
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Contatti Unimore IN-FET: luca.selmi@unimore.it
HERMES
Pagina web: https://www.hermes-fet.eu
Email: info@hermes-fet.eu
Twitter: https://twitter.com/HERMES_FET
Contatti Unimore HERMES: giulia.curia@unimore.it
Smart-Brain
Pagina web: www.smartbrain.unimore.it
Pagina web: www.humanbrainproject.eu
Contatti Unimore Smart Brain: jonathan.mapelli@unimore.it