Intelligenza Artificiale #03, imitare il cervello umano, il Neurone

NEWS SPAZIO :- Eccoci alla terza puntata di questa serie di post dedicati all'Intelligenza Artificiale (IA), una delle tecnologie esponenziali che più di tutte sta cambiando il nostro mondo, letteralmente rivoluzionandolo. In un futuro molto prossimo per giunta, un futuro che è già arrivato.

Abbiamo iniziato da poco questo viaggio insieme. Sorvoleremo questo universo facendo rapide puntatine a bassa quota. La promessa è che riusciremo a farci un'idea di cosa sta accadendo. Poi, cosa dovremmo fare per cavalcare il cambiamento dipenderà solamente da ciascuno di noi, da come vorrà reagire a questi eventi.

Tra gli obiettivi più grandi degli studi in IA vi è quello di realizzare macchine che possano mostrare un livello di intelligenza simile (se non superiore) a quello umano (andate a vedere il precedente post qui).

E parlando di riprodurre l'intelligenza umana è del tutto naturale fare riferimento ad un esempio di intelligenza già disponibile intorno a noi, studiarlo e vedere cosa se ne può tirare fuori. Ed è proprio ciò che è successo e che succede ancora oggi.

Decenni di studi sul cervello umano, le neuroscienze, hanno ispirato infatti uno dei vari filoni di ricerca in IA, quello noto come approccio "connessionista" e che ha come maggiore contributo particolari sistemi software che - in parte - imitano il comportamento del cervello umano. Questi sono conosciuti come "Reti Neurali" artificiali. Ed è proprio l'area di IA che mi affascina più di tutte.

Nel primo post di questa serie avevo introdotto il neurone di McCulloch–Pitts, il primo modello artificiale di una cellula cerebrale, realizzato nel 1943 da Warren McCulloch e Walter Pitts.

Quello fu l'inizio di questo nuovo modo di progettare sistemi software di IA, piccole unità ispirate dal comportamento dei neuroni biologici collegate tra loro in sistemi più complessi.

Ma prima di parlare delle reti neurali artificiali, dobbiamo vedere cosa ci dice la biologia. Facciamo quindi un rapido viaggio all'interno del nostro cervello per conoscere meglio le nostre cellule nervose, la nostra "Intelligenza Naturale". Non preoccupatevi, sarà un viaggio affascinante, promesso!

Dunque, l'elemento fondamentale dal nostro punto di vista elaborativo è la cellula nervosa, il Neurone, l'unità funzionale adibita alla "gestione" di tutti gli aspetti dell'essere "noi".

In ogni cervello umano il numero di neuroni è impressionante, in un individuo all'apice del suo sviluppo (circa 18 anni) ce ne sono fino a 100 miliardi. Rifletteteci un attimo. Ciascuno di noi ha nella propria testa tanti neuroni quante sono tutte le stelle nella nostra Galassia (più o meno).

E questo già di per sé è un dato impressionante, da farci restare a bocca aperta.

Inoltre ciascun neurone è collegato ad altri neuroni per scambiare impulsi nervosi (informazioni) e può arrivare ad avere fino a 1000 connessioni. Ed anche questa è una cosa impressionante. Le connessioni nel cervello sono molto molto più numerose del numero dei neuroni, e ciò significa che l'evoluzione gli ha riconosciuto un ruolo estremamente importante. Verrebbe da dire che i neuroni sono "animali sociali". Ma procediamo con ordine. Guardate qui sotto, vi presento un neurone

Il neurone è composto da un corpo cellulare detto Soma. Facendo riferimento all'immagine qui sopra, alla sua sinistra potete vedere tutta una serie di ramificazioni, si tratta dei Dendriti, che da un punto di vista funzionale sono le unità di INPUT della cellula. Queste infatti sono collegate ad altri neuroni e da questi ricevono un impulso nervoso, un impulso generalmente di carattere elettro-chimico, che costituisce l'informazione scambiata (sarà tutto più chiaro tra pochissimo).

Alla destra del soma vedete che il corpo cellulare si assottiglia e si allunga mano a mano che si allontana dal soma stesso. Questa parte della cellula viene detta Assone ed è  fondamentale per noi. Anch'esso termina con una ramificazione, per connettersi ai dendriti di altri neuroni. Pensate che un assone può arrivare ad essere più lungo di un metro (ad esempio il nervo sciatico che va dalla spina dorsale fino ai piedi) e come ho scritto più in alto può connettersi con tanti tanti neuroni, fino a un migliaio.

L'assone costituisce l'unica unità di OUTPUT della nostra cellula nervosa. Esso infatti trasmette l'impulso elettrico che viene generato nel soma ai dendriti delle cellule a lui collegate. Vediamo come.

Il punto di contatto tra due cellule nervose, quando cioè una terminazione assonica si connette con una terminazione dendritica, è detto Sinapsi. E' il punto in cui due cellule nervose sono collegate tra loro e per mezzo di tale connessione da un assone si trasmette un impulso verso il dendrite della cellula successiva.

In realtà la sinapsi tra due neuroni non è un contatto. Le due cellule non si toccano, ma sono molto molto vicine tra loro, come vedete nella seguente illustrazione di una sinapsi

Ecco cosa accade. Ad un certo punto (per ora ci basta questo) nel soma viene a generarsi un impulso elettrico, di nome Spike (o anche Potenziale d'Azione), lo vedete qui sotto

Questo si propaga lungo l'assone (trasmissione elettrica) ed arriva alle sue terminazioni assoniche. In prossimità di ogni sinapsi vi sono tante piccole capsule, le Vescicole Sinaptiche, che contengono particolari molecole, dette Neurotrasmettitori.

Quando l'impulso raggiunge la sinapsi provoca il rilascio dei neurotrasmettitori dalle vescicole sinaptiche. Questi (anche diverse migliaia) fuoriescono della terminazione assonica e per diffusione raggiungono il neurone successivo, dove si legano chimicamente a particolari molecole che si trovano nei suoi dendriti, dette Recettori Sinaptici (trasmissione chimica).

Ciò varia temporaneamente le caratteristiche elettriche della membrana cellulare, ed all'interno della cellula post-sinaptica (la cellula che ha ricevuto il segnale) varia la sua carica elettrica. Può aumentare o diminuire, a seconda del tipo di neurotrasmettitore. Se questa aumenta, allora la sinapsi si dice essere eccitatoria, altrimenti se la carica elettrica diminuisce, la sinapsi viene detta inibitoria.

Ecco che l'impulso generato da una cellula è stato inviato ad un'alta cellula. A questo punto ci siamo, perché col passare dl tempo (siamo nell'ordine dei millisecondi) ciò che accade è che un generico neurone riceve tanti segnali dalle cellule con cui "fa sinapsi", accumula carica elettrica e quando questa aumentando, aumentando ed ancora aumentando, supera un certo valore di soglia ecco che questo stesso neurone genera un nuovo impulso elettrico, un nuovo spike.

Questo parte, si propaga dal suo assone ed il tutto si ripete verso una o più cellule successive. Giusto per completezza, dopo aver generato uno spike, vi è un breve periodo di tempo in cui la cellula nervosa rimane refrattaria ad altri stimoli, per poi ricominciare ad accumulare carica elettrica ed a ripetere la sua "elaborazione".

Ricapitoliamo. All'interno di una cellula nervosa viene generato un impulso che si propaga attraverso l'assone e da lì viene trasmesso alle cellule che sono in collegamento con lui.

Ogni cellula è quindi influenzata da tutti i neuroni che gli inviano uno spike, ed a sua volta influenza tutti i neuroni a cui trasmette il proprio spike

E visto che in generale lo spike ha sempre la stessa forma, l'informazione è "codificata" dalla frequenza degli impulsi che vengono generati e trasmessi.

Naturalmente questa è una descrizione generale e iper-semplificata dell'attività di un singolo neurone, ma prendetela per buona. Ed altrettanto naturalmente vi sono vari tipi di neurone, che si differenziano tra loro per morfologia, funzionalità, organizzazione, ecc. ecc. Ma tutti funzionano più o meno allo stesso modo.

La loro grandiosa potenza deriva dall'essere organizzati in gruppi di cellule nervose (anche molto grandi), in Reti Neurali per elaborare informazioni complesse, che provengono dai nostri organi di senso, che comandano il nostro corpo (ecc. ecc.) e che compongono il nostro Sistema Nervoso, il quale in definitiva è ciò che ci fa essere tutto ciò che siamo.

E comunque ricordiamo che sono tante tante tante le cose che ancora oggi non conosciamo del nostro cervello. Grazie anche alle tecnologie di indagine sviluppate, ci stiamo addentrando sempre più nelle sue profondità, ma siamo ancora molto lontani dal decifrarne i segreti.

Mi fermo qui, spero che questa breve intrusione all'interno delle nostre cellule nervose abbia stimolato il vostro interesse. Nel prossimo post di questa serie passeremo all'artificiale, vedremo in dettaglio il famoso neurone di McCulloch–Pitts, ed introdurrò una delle aree di ricerca in IA tra le più promettenti oggi, le reti neurali (ovviamente artificiali).

Stay tuned!

(Parte 2 - Parte 3 - Parte 4)