Tendiamo a separare muscoli e cervello: uno pensa, l’altro fa. Il cervello assorbe informazioni complesse sul mondo, prende decisioni, mentre i muscoli si limitano a eseguire. Questa separazione cervello-muscolo ha anche plasmato il modo in cui pensiamo ai processi all’interno di una singola cellula; Alcune molecole all’interno delle cellule sono viste come “pensatori” che assorbono informazioni sull’ambiente chimico e decidono cosa la cellula deve fare per sopravvivere; Separatamente, altre molecole sono viste come il “muscolo”, che costruisce le strutture necessarie per la sopravvivenza. Ma un nuovo studio mostra come le molecole che costruiscono le strutture, cioè il muscolo, possono sia pensare che agire.
Tendiamo a separare muscoli e cervello: uno pensa, l’altro fa. Il cervello assorbe informazioni complesse sul mondo, prende decisioni, mentre i muscoli si limitano a eseguire.
Questa separazione cervello-muscolo ha anche plasmato il modo in cui pensiamo ai processi all’interno di una singola cellula;
Alcune molecole all’interno delle cellule sono viste come “pensatori” che assorbono informazioni sull’ambiente chimico e decidono cosa la cellula deve fare per sopravvivere;
Separatamente, altre molecole sono viste come il “muscolo”, che costruisce le strutture necessarie per la sopravvivenza.
Ma un nuovo studio mostra come le molecole che costruiscono le strutture, cioè il muscolo, possono sia pensare che agire.
Lo studio, condotto da scienziati della Maynooth University, dell’Università di Chicago e del California Institute of Technology, è stato pubblicato il 17 gennaio su Nature.
“Abbiamo dimostrato che un processo molecolare naturale – la nucleazione – che è stato studiato come un ‘muscolo’ per lungo tempo può fare calcoli complessi che rivaleggiano con una semplice rete neurale”, ha detto il professore associato dell’Università di Chicago Arvind Murugan, uno dei due coautori senior dell’articolo.
“È un’abilità nascosta in bella vista che l’evoluzione può sfruttare nelle cellule per fare di più con meno; Le molecole del ‘fare’ possono anche pensare'”.
Pensare usando la fisica
Le cellule hanno bisogno di riconoscere l’ambiente in cui si trovano e fare cose diverse per sopravvivere. Ad esempio, alcune combinazioni di molecole potrebbero indicare un periodo di stress, mentre altre combinazioni di molecole potrebbero indicare un periodo di abbondanza.
Ma la differenza tra questi segnali molecolari può essere sottile: ambienti diversi potrebbero coinvolgere le stesse molecole ma in proporzioni diverse.
Il dottor Constantine Evans, ricercatore presso l’Hamilton Institute, Maynooth University, autore principale dello studio, ha spiegato che è un po’ come entrare in una casa e sentire l’odore dei biscotti appena sfornati, invece di sentire l’odore della gomma bruciata.
“Il tuo cervello altererebbe il tuo comportamento a seconda che tu percepisca diverse combinazioni di sostanze chimiche odorose. Abbiamo deciso di chiederci se solo la fisica di un sistema molecolare può fare lo stesso, nonostante non abbia un cervello di alcun tipo”, ha detto.
L’opinione tradizionale è che le cellule potrebbero essere in grado di percepire e rispondere in questo modo utilizzando circuiti molecolari che assomigliano concettualmente ai circuiti elettronici del laptop;
Alcune molecole percepiscono, altre prendono una decisione su cosa fare e infine le molecole “muscolari” svolgono un’azione (ad esempio, costruiscono una struttura).
L’idea alternativa esplorata qui è che tutti questi compiti – rilevamento, processo decisionale, risposta – possono essere svolti in un solo passaggio dalla fisica inerente al “muscolo” stesso.
La fisica coinvolta in questo studio è quella delle “transizioni di fase”: un bicchiere d’acqua si congela quando raggiunge gli 0 °C; Innanzitutto, un piccolo frammento di ghiaccio si “nuclea” e poi cresce fino a quando l’intero bicchiere d’acqua non si congela.
A prima vista, questi passi iniziali nell’atto del “congelamento” – la nucleazione – non assomigliano al “pensare”.
Ma questo lavoro mostra che l’atto di congelare può “riconoscere” sottilmente diverse combinazioni chimiche – ad esempio, l’odore dei biscotti all’uvetta di farina d’avena rispetto alle gocce di cioccolato – e costruire diverse strutture molecolari in risposta.
Robustezza negli esperimenti
Gli autori hanno testato la robustezza del processo decisionale basato sulla nucleazione utilizzando la nanotecnologia del DNA, un campo che il professor Erik Winfree ha contribuito a sperimentare.
“La teoria è generale e dovrebbe essere applicata a qualsiasi tipo di molecola. Ma il DNA ci permette di studiare sperimentalmente la nucleazione in miscele complesse di migliaia di tipi di molecole e di capire sistematicamente l’impatto di quanti tipi di molecole ci sono e che tipo di interazioni hanno”, ha spiegato Erik.
L’esperimento ha rivelato alcune sorprese: il processo decisionale basato sui “muscoli” era sorprendentemente robusto e scalabile.
Complicazioni non modellate in teoria, come l’esaurimento delle molecole durante l’esperimento, si sono rivelate di aiuto piuttosto che di danno.
Di conseguenza, esperimenti relativamente semplici hanno risolto problemi di riconoscimento di modelli che coinvolgono circa un migliaio di tipi di molecole, quasi 10 volte più grandi rispetto ai precedenti approcci basati su circuiti.
In ogni caso, le molecole si sono unite per costruire diverse strutture su scala nanometrica in risposta a diversi modelli chimici, tranne che l’atto di costruire la struttura in sé ha preso la decisione su cosa costruire.
Il lavoro indica una nuova visione della computazione che non comporta la progettazione di circuiti, ma piuttosto la progettazione di ciò che i fisici chiamano un “diagramma di fase”;
Ad esempio, per l’acqua, un diagramma di fase potrebbe descrivere le condizioni di temperatura e pressione in cui l’acqua liquida si congelerà o bollirà.
Convenzionalmente, i diagrammi di fase sono visti come una descrizione di proprietà del materiale simili a quelle dei “muscoli”.
Ma questo lavoro mostra che il diagramma di fase può anche codificare il “pensare” oltre al “fare” quando viene scalato a sistemi complessi con molti tipi diversi di componenti.
“I fisici hanno tradizionalmente studiato cose come un bicchiere d’acqua che ha molte molecole, ma tutte identiche. Ma una cellula vivente è piena di molti tipi diversi di molecole che interagiscono tra loro in modi complessi. Ciò si traduce in distinte capacità emergenti di sistemi multi-componente”, ha detto il dottor Jackson O’Brien, che è stato coinvolto nello studio come studente laureato in fisica dell’Università di Chicago.
La teoria in questo lavoro ha tracciato analogie matematiche tra tali sistemi multi-componente e la teoria delle reti neurali; Gli esperimenti hanno indicato come questi sistemi multi-componente potrebbero apprendere le giuste proprietà computazionali attraverso un processo fisico, proprio come il cervello impara ad associare odori diversi ad azioni diverse.
Mentre gli esperimenti qui hanno coinvolto molecole di DNA in una provetta, i concetti sottostanti – nucleazione in sistemi con molti tipi di componenti – si applicano ampiamente a molti altri sistemi molecolari e fisici.
Gli autori sperano che questo lavoro stimolerà il lavoro per scoprire capacità di “pensiero” nascoste in altri sistemi multi-componente che attualmente sembrano essere semplicemente “muscoli”.
