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Costruire la corteccia in silicio
A Stanford è in corso un progetto ambizioso per modellare la corteccia cerebrale in silicio. Il cervello artificiale potrebbe aiutare gli scienziati a capire come la parte evoluta più di recente del nostro cervello esegue le sue complesse imprese computazionali, permettendoci di comprendere il linguaggio, riconoscere i volti e programmare la giornata. Potrebbe anche portare a nuove protesi neurali.
I chip di silicio costruiti per assomigliare al cervello potrebbero far luce sulla sua potenza di calcolo.
I cervelli fanno le cose in modi tecnicamente e concettualmente nuovi: possono risolvere senza sforzo problemi che non possiamo ancora risolvere con le macchine digitali più grandi e moderne, afferma Rodney Douglas , professore all'Istituto di Neuroinformatica, a Zurigo. Uno dei modi per esplorare questo è sviluppare hardware che vada nella stessa direzione.
I neuroni comunicano con una serie di impulsi elettrici; i segnali chimici modificano transitoriamente le proprietà elettriche delle singole cellule, che a loro volta innescano un cambiamento elettrico nel neurone successivo nel circuito. Negli anni '80, Carver Mead , un pioniere della microelettronica presso il California Institute of Technology, si è reso conto che gli stessi transistor usati per costruire i chip dei computer potevano essere usati per costruire circuiti che imitassero le proprietà elettriche dei neuroni. Da allora, scienziati e ingegneri hanno utilizzato questi neuroni basati su transistor per costruire circuiti neurali più complessi, modellando la retina, la coclea (la parte dell'orecchio interno che traduce le onde sonore in segnali neurali) e l'ippocampo (una parte del cervello cruciale per la memoria). Chiamano il processo neuromorphing.
Ora Kwabena Boahen , un neuroingegnere della Stanford University, sta pianificando il progetto neuromorfo più ambizioso fino ad oggi: la creazione di un modello in silicio della corteccia. Il progetto di prima generazione sarà composto da un circuito con 16 chip, ciascuno contenente un array di 256x256 di neuroni di silicio. È possibile impostare gruppi di neuroni per avere proprietà elettriche diverse, imitando diversi tipi di cellule nella corteccia. Gli ingegneri possono anche programmare connessioni specifiche tra le cellule per modellare l'architettura in diverse parti della corteccia.
Vogliamo essere in grado di esplorare idee diverse, modelli di connettività diversi, operazioni diverse in queste aree, afferma Boahen. Non è davvero possibile esplorarlo in questo momento. Alla fine Boahen ha in programma di costruire chip che altri scienziati possono acquistare e utilizzare per testare le proprie teorie su come funziona la corteccia. Quella nuova conoscenza può quindi essere integrata nella prossima generazione di chip.
È molto eccitante, dice Terrence Sejnowski , capo del Laboratorio di Neurobiologia Computazionale presso il Salk Institute, a La Jolla, CA. La tecnologia è maturata al punto che è possibile pensare a simulazioni su larga scala. Ad esempio, Sejnowski studia come il talamo, un'area del cervello pensata per trasmettere e integrare informazioni provenienti da diverse parti del cervello, interagisce con la corteccia. Attualmente possiamo fare piccole simulazioni di centinaia o migliaia di neuroni, ma sarebbe fantastico poterlo ampliare, dice.
La griglia di un milione di neuroni avrà una velocità di elaborazione equivalente a 300 teraflop, il che significa che, a differenza delle simulazioni software della corteccia, il modello di silicio cablato sarà in grado di funzionare in tempo reale. Invece di eseguire un migliaio di istruzioni software, è solo corrente che scorre attraverso i transistor, proprio come i veri neuroni, dice Boahen.
Certo, il progetto sarà impegnativo. Dovranno ottenere un gran numero di chip per lavorare insieme, afferma Douglas. Per mettere insieme una struttura della scala che Kwabena ha in mente, nessuno l'ha ancora fatto. Ma potrebbe diventare una svolta in campo. Douglas paragona lo stato attuale dell'ingegneria neuromorfa alle prime fasi della progettazione di chip per computer. La gente aveva lavorato su diversi tipi di porte logiche, ma ci voleva una visione del mondo completamente diversa per costruire chip per computer, dice.
In definitiva, gli ingegneri sperano di utilizzare le informazioni generate dalla corteccia di silicio in vari modi, ad esempio per costruire protesi neurali migliori. L'aspetto in tempo reale di questa tecnologia ci consente in linea di principio di interfacciare la corteccia di silicio con la corteccia reale o cervello, afferma Gert Cauwenberghs, un neuroingegnere dell'Università della California, a San Diego. C'è la promessa, almeno in futuro, di costruire una protesi per sostituire qualche funzione motoria o sensoriale perduta.