Le reti neurali

di Sara Muttoni

Abbiamo intervistato Egidio D'Angelo, professore ordinario di Fisiologia all'Università di Pavia ed esperto in reti neuronali. Laureatosi in Medicina e Chirurgia nel 1985 a Pavia, sceglie di continuare i suoi studi nel campo delle neuroscienze con uno scopo ben preciso: vuole fare ricerca di base perché è convinto che solo dalla precisa conoscenza dei meccanismi funzionali, cioè tramite lo studio della fisiologia, possa svilupparsi ogni altra branca della ricerca applicata. Studia la fisiologia del cervelletto e crea i relativi modelli neuronali.

Che cos'è un modello neuronale?

È la riproduzione, tramite modelli matematici, di un neurone in tutte le sue componenti. Noi creiamo una cellula virtuale capace di generare gli impulsi elettrici dei neuroni veri e in grado di interagire con le sue compagne in modelli sempre più complessi. Grazie al semplice utilizzo del computer indaghiamo nella biofisica del nostro cervello, fino a capirne le regole di funzionamento più fini.

Perché è nata l'esigenza di creare un modello virtuale del neurone?

Perché rappresenta un elemento logico essenziale per la comprensione dei sistemi complessi. E poi possiamo aggiungere e togliere “pezzi” come in un puzzle per aumentarne la complessità e l'efficienza. Più il modello è accurato e più precisamente possiamo capire come gli impulsi elettrici vengono prodotti. Possiamo addirittura fare delle previsioni, poi verificate negli esperimenti reali. Se questi confermano i dati predetti, il modello funziona ed è accettabile.

Può spiegare in breve come si realizza un modello neuronale?

Bisogna conoscere innanzitutto le leggi fisiche alla base della neurofisiologia. Dopodiché si può iniziare a ricreare con linguaggio di programmazione adatto (NEURON, per esempio) ogni particolare: la membrana cellulare con i dendriti, l'assone, le sinapsi e i canali proteici vengono tradotti in programmi. Basterà poi “assemblarli” per ricreare un neurone funzionante che, nel computer, ricreerà gli impulsi elettrici. A questo punto possiamo studiare l'effetto della variazione di alcuni parametri come le dimensioni, il numero di connessioni, la tipologia di canali eccetera.

Che cos'è invece una rete neurale?

Una rete è data dall'insieme di più neuroni connessi efficacemente. Abbiamo 10^12 neuroni nel nostro cervello (un polpo ne ha “solo” 1 milione) organizzati in reti locali che creano circa 10^15 connessioni totali. Noi ci “accontentiamo” di creare reti con 30-40 mila connessioni: rappresentano il nostro “circuito soglia” al di sotto del quale non ha senso lavorare perché il messaggio trasmesso sarebbe poco modulabile. Per fare un paragone, il dialogo fra 100 persone sarà molto più vario e modificabile che non fra 2. Lo stesso avviene fra i neuroni.

Qual è il grado di complessità finora raggiunto nella simulazione?

Dipende dal fine della ricerca. Se si vuole ricreare un circuito cerebrale nel suo più piccolo particolare, si può ricostruire con buona approssimazione il neurone e collegarlo con alcune migliaia di altri elementi. Ma c'è anche chi crea reti estremamente più semplificate che non badano alla biofisica del sistema e mirano a riprodurre una funzione sensoriale, per esempio la vista: sono le reti neurali dei robot in grado di riconoscere vari oggetti e perfino di catalogarli.

Ogni neurone è una singola entità che prende parte alla costituzione di reti: come avviene la comunicazione fra ogni elemento e soprattutto come può emergere la coscienza dal loro semplice collegamento?

Prima di tutto dobbiamo definire cos'è la coscienza. Per le neuroscienze è un processo attivo di rappresentazione del mondo, ristretta e guidata da filtri “direzionabili” come l'attenzione e la motivazione. Non ha una sede definita con precisione ma è necessario che il sistema talamo-corticale sia integro. Si ritiene che emerga dalla fitta ed efficiente connessione dei circuiti corticali, a loro volta composti da migliaia di neuroni. La singola cellula è insufficiente: è indispensabile la comunicazione.

I robot di oggi compiono azioni determinate dalla preventiva programmazione umana. Potremo mai creare un robot in grado di agire e pensare autonomamente, magari anche in grado di concepire pensieri astratti?

Diciamo di sì. Non do scadenze temporali, ma la tecnologia odierna è molto sviluppata e potrebbe consentire di farlo. Il punto critico è, a mio parere, il disegno del processore centrale. Il cervello è governato da meccanismi classificabili nella categoria dei “sistemi complessi” e sfrutta processi strutturali e funzionali molto lontani da quelli correntemente impiegati in bioingegneria elettronica. Ma sono già in corso progetti che potrebbero compiere quest’ulteriore passo, anche grazie allo studio di modelli neurali.

Consigli per la lettura

Yurij Castelfranchi, Oliviero Stock, Macchine come noi. La scommessa dell'intelligenza artificiale, Laterza, Bari, 2003
M. Davis, Il calcolatore universale, Adelphi, Milano, 2003