Come nuotare senza cervello: potenzialità dei nanobot medici
Molti microrganismi sono in grado di muoversi in modo mirato nei liquidi. Come fanno a farlo senza un sistema nervoso complesso?
Lo fanno i batteri, lo fanno le amebe, lo fanno persino le cellule del sangue: tutti hanno la capacità di muoversi in modo orientato nei liquidi. E lo fanno pur avendo strutture estremamente semplici e prive di un sistema di controllo centrale (come un cervello). Come si spiega questo fenomeno? Un team della TU Wien, dell'Università di Vienna e della Tufts University (USA) ha simulato questo tipo di movimento su un computer ed è riuscito a dimostrare che i movimenti di nuoto sono possibili anche senza un'unità di controllo centrale. Questo non solo spiega il comportamento dei microrganismi, ma potrebbe anche consentire ai nanobot di muoversi in modo mirato, ad esempio per trasportare farmaci nel punto giusto del corpo.
Successo anche senza un sistema di controllo centrale
"I microrganismi semplici possono essere immaginati come composti da diverse parti, un po' come un filo di perle", afferma Benedikt Hartl dell'Istituto di fisica teorica della TU Wien e dell'Allen Discovery Center della Tufts University, autore principale dell'attuale pubblicazione. "Le singole parti possono muoversi l'una rispetto all'altra. Volevamo sapere: in quali circostanze questo si traduce in un movimento che fa muovere l'intero organismo nella direzione desiderata?".
Questo è relativamente semplice se esiste un sistema di controllo centrale, come un cervello o almeno un centro nervoso. Tale centro può impartire comandi specifici alle singole parti. È facile capire come questo possa portare a un movimento coordinato.
Ma un organismo unicellulare non ha naturalmente cellule nervose, né un sistema di elaborazione centrale che possa impartire comandi. Come è possibile, in questo caso, che si crei un movimento coordinato di nuoto? Se le singole parti del microrganismo si comportano tutte secondo regole molto semplici, è possibile che si crei un comportamento collettivo che porti a un nuoto efficiente?
Microrganismi simulati al computer
Questa domanda è stata indagata utilizzando simulazioni al computer: i microrganismi sono stati modellati come catene di perline interconnesse. Ciascuna di queste perle può esercitare una forza a destra o a sinistra, ma ogni perla conosce solo la posizione dei suoi immediati vicini. Non si conosce lo stato generale dell'organismo o delle perline più lontane.
"La domanda cruciale ora è: Esiste un sistema di controllo, un insieme di regole semplici, una strategia comportamentale che ogni microsfera può seguire individualmente in modo da far emergere un movimento di nuoto collettivo, senza alcuna unità di controllo centrale?", afferma Benedikt Hartl.
Sul computer, le singole sfere - le parti simulate del microrganismo virtuale - sono state dotate di una forma molto semplice di intelligenza artificiale, una minuscola rete neurale con solo 20-50 parametri, spiega Hartl: "Il termine rete neurale è forse un po' fuorviante in questo contesto; naturalmente, un organismo unicellulare non ha neuroni. Ma questi semplici sistemi di controllo possono essere implementati all'interno di una cellula, per esempio, per mezzo di circuiti fisico-chimici molto semplici che inducono una specifica area del microrganismo a eseguire un determinato movimento".
Questo semplice sistema di controllo decentralizzato è stato ora adattato al computer alla ricerca del "codice di controllo" più efficiente possibile che produca il miglior comportamento di nuoto. Con ogni versione di questo sistema di controllo, il microrganismo virtuale ha potuto nuotare in un fluido viscoso simulato.
"Siamo riusciti a dimostrare che questo approccio estremamente semplice è sufficiente a produrre un comportamento di nuoto estremamente robusto", afferma Benedikt Hartl. "Sebbene il nostro sistema non abbia un controllo centrale e ogni segmento del microrganismo virtuale si comporti secondo regole molto semplici, il risultato complessivo è un comportamento complesso, sufficiente per una locomozione efficiente".
Biologia e tecnologia
Questo risultato non è interessante solo perché spiega il comportamento complesso di sistemi biologici molto semplici, ma potrebbe essere interessante anche per i nanobot prodotti artificialmente: "Ciò significa che sarebbe possibile creare strutture artificiali in grado di svolgere compiti complessi con una programmazione molto semplice", afferma Andreas Zöttl (Università di Vienna). "Sarebbe concepibile, ad esempio, costruire nanobot che cercano attivamente l'inquinamento da petrolio nell'acqua e aiutano a rimuoverlo. O anche nanobot medici che si spostano autonomamente in punti specifici del corpo per rilasciare un farmaco in modo mirato".
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