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Tra realtà e fantascienza: i progressi nel campo degli impianti neurali

Chip di memoria che permettono di ricordare perfettamente tutto ciò che si legge, interfaccia Internet impiantate nel cervello che traducono i pensieri in ricerche online, chip retinici che permettono di vedere perfettamente al buio, impianti cocleari che consentono di ascoltare qualsiasi conversazione in un ambiente rumoroso e così via.  Non si tratta di fantasie uscite dalla penna di Philip K. Dick, scrittore visionario, autore di numerosi romanzi di fantascienza da cui il cinema ha attinto a piene mani, ma di una realtà che potrebbe essere non molto lontana: il connubio tra uomo e macchina si sta realizzando. 

A differenza dei pacemaker, delle corone dentali o delle pompe insuliniche impiantabili, le protesi neurali, dispositivi in grado di ripristinare o completare le capacità della mente tramite sistemi elettronici inseriti direttamente nel sistema nervoso, cambiano il modo in cui si percepisce il mondo e ci si muove attraverso di esso: nel bene o nel male, questi dispositivi diventano parte di noi stessi. 

In realtà, le protesi neurali non sono propriamente una novità. Gli impianti cocleari o “orecchi bionici” trasmettono informazioni sensoriali al sistema nervoso e sono di fatto neuroprotesi; in commercio da oltre tre decenni sono stati utilizzati da circa 300.000 pazienti non udenti di tutto il mondo. Concettualmente simili, gli impianti di protesi retinica realizzati da un gruppo di ricercatori di una società californiana permettono di riacquistare una certa funzione visiva. I risultati di un importante studio che dimostra la loro efficacia sono stati pubblicati sulla rivista Frontiers in Neuroprosthetics nel 2012 e, dopo l’autorizzazione del dispositivo negli USA e in Europa, già diverse decine di pazienti hanno riacquistato una certa funzione visiva grazie a essi. Il dispositivo è composto da minuscoli elettrodi collegati alla retina in grado di captare informazioni visive attraverso una micro-telecamera montata su un paio di occhiali speciali; le immagini riprese sono inviate a un ricevitore che, grazie a un processore, decodifica il segnale video. Queste informazioni sono inviate a un'antenna in grado di comunicare con gli elettrodi, che trasmettono segnali in grado di stimolare i nervi ottici, responsabili del "passaggio" delle immagini dagli occhi al cervello. 

Un altro tipo di impianto ormai comune, utilizzato da migliaia di pazienti affetti da morbo di Parkinson in tutto il mondo, è un neurostimolatore che invia impulsi elettrici in profondità nel cervello, attivando alcuni dei meccanismi coinvolti nel controllo motorio. Gli elettrodi o elettrocateteri vengono posizionati all’interno del tessuto cerebrale e collegati da un filo che corre verso una batteria sotto la pelle; recentemente è stata sviluppata una nuova tecnica chirurgica per l’impianto degli elettrodi che utilizza i progressi nella diagnostica per immagini, illustrata in un articolo sul Journal of Neurosurgery.  L'effetto dell’impianto è quello di ridurre o eliminare i tremori e i movimenti rigidi dovuti al morbo di  Parkinson (anche se, purtroppo, il dispositivo non arresta la progressione della malattia). Prove sperimentali sono in corso per testare l'efficacia di tale "stimolazione cerebrale profonda" per il trattamento di altri disturbi. 

La stimolazione elettrica può anche migliorare alcune forme di memoria, come hanno mostrato il neurochirurgo Itzhak Fried e i suoi colleghi dell'Università della California, Los Angeles in un articolo pubblicato nel 2012 nel New England Journal of Medicine. Secondo Fried, il segreto per la memorizzazione “eterna” è stimolare l’ippocampo, una regione cerebrale deputata proprio alla costruzione della memoria a lungo termine. Utilizzando una configurazione simile a un videogioco in cui i pazienti si immedesimavano con un tassista costretto a ricordare strade intricate della città, salita e discesa dei suoi clienti, i ricercatori hanno ottenuto un inaspettato risultato: i pazienti riuscivano a orientarsi molto meglio, riconoscevano i punti di riferimento e svoltavano nelle varie strade con molta agilità. 

Ma non tutti gli impianti cerebrali funzionano stimolando direttamente il cervello. Alcuni lavorano invece leggendo i segnali del cervello, per interpretare, ad esempio, le intenzioni di un utente paralizzato. Sistemi ottimali di protesi neurali dovrebbero cercare di fare entrambe le cose. Quanto siamo vicini ad avere a disposizione dispositivi del genere? Per iniziare, gli scienziati, i medici e gli ingegneri dovrebbero trovare il modo più sicuro e affidabile per l’inserimento di sonde nel cervello delle persone. Per ora, l'unica opzione è quella di praticare piccoli fori attraverso il cranio e inserire lunghi e sottili elettrodi fino a raggiungere le loro destinazioni all'interno del cervello: questo porta però a rischi di infezione. 

I dispositivi esterni, come le calotte o le cuffie che permettono di svolgere semplici operazioni sfruttando l'intensità delle onde cerebrali, utilizzate per controllare cellulari e personaggi dei videogiochi con applicazioni anche in campo medico, non presentano questi rischi ma sono anche molto meno efficaci. Interfacce cervello-macchina devono essere inserite direttamente nel cervello per poter raccogliere i segnali provenienti dalle cellule nervose, ma esistono difficoltà legate alla relativamente breve durata di tali dispositivi. Parte del problema è meccanico: un impianto che si muove anche di un millimetro può diventare inefficace; un'altra parte del problema è biologica: l'impianto deve essere non tossico e biocompatibile, in modo da non provocare una reazione immunitaria. Deve essere anche piccolo abbastanza per essere completamente chiuso all'interno del cranio e deve avere un basso consumo energetico. 

Molti ricercatori stanno cercando di superare questi problemi; tra questi, gli ingegneri elettronici Michel Maharbiz e José Carmena e i loro colleghi dell’Università della California, Berkeley, che stanno sviluppando un’interfaccia cerebrale wireless, una sorta di “polvere neurale”: migliaia di microsensori biologicamente neutrali, dell'ordine di un decimo di millimetro, convertono segnali elettrici in ultrasuoni che possono essere letti al di fuori del cervello. Ancora una volta, la realtà sposa la fiction: i due ingegneri sono stati infatti chiamati a collaborare all’ultimo film di Wally Pfister, “Transcendence”, un thriller fantascientifico sull’intelligenza artificiale. Ma qui non si tratta solo di tempo libero e intrattenimento: come ha affermato lo stesso Michel Maharbiz, “una volta che si riuscirà a realizzare impianti stabili e duraturi per gli adulti sani, molte gravi disabilità saranno perennemente curabili”. A milioni di pazienti gli impianti neurali cambieranno letteralmente la vita. 

Supponendo che saremo capaci di superare barriere di bioingegneria, la prossima sfida sarà interpretare le informazioni complesse derivanti dai 100 miliardi di minuscole cellule nervose che compongono il cervello. Siamo già in grado di farlo, ma in modo limitato.

Sulla base di decenni di ricerca in primati non umani, John P. Donoghue, Leigh R. Hochberg e i loro colleghi della Brown University hanno creato un sistema in grado di decodificare i segnali neurali e che consente di controllare dispositivi robotici con il pensiero. Un piccolo chip, costellato di circa 100 cavi aghiformi, viene inserito nella parte della neocorteccia che controlla il movimento; i segnali motori sono alimentati da un computer che li decodifica e li distribuisce ai dispositivi robotici esterni. In uno studio pubblicato dai ricercatori della Brown University su Nature sono stati mostrati i risultati su due pazienti paralizzati da tempo a causa di un ictus, una donna di 58 anni e un uomo di 66; in particolare, la donna è stata in grado di raggiungere e sorseggiare una bibita da sola per la prima volta dopo quasi 15 anni. Si sta ora valutando la sicurezza e la fattibilità di questa interfaccia cervello-computer, chiamata BrainGate, destinata a mettere robotica e tecnologie innovative sotto il diretto controllo della mente umana.

Per ora guidare un braccio robotico in questo modo è scomodo e faticoso: siamo lontani da impianti neurali con la precisione e la reattività di una tastiera di computer. C’è bisogno di strumenti più precisi che conducano a una comprensione più dettagliata dei diversi tipi di cellule nervose e di come esse si incastrano in circuiti complessi. Ad esempio, le immagini ottenute dalla risonanza magnetica funzionale non hanno sufficiente risoluzione per darci una vera padronanza del codice neurale; ogni voxel in una ecografia del cervello contiene da mezzo milione a un milione di neuroni, ma occorrerebbe calibrarsi sul singolo neurone. 

Uno degli strumenti più promettenti in questo senso è l’optogenetica, derivante dal connubio tra ottica e biologia molecolare: questa tecnica usa la luce per attivare o inibire neuroni che, essendo geneticamente ingegnerizzati, riescono a rispondere in modo preciso ed efficace alla luce. I progressi della biologia molecolare, delle neuroscienze e dell’elettronica porteranno quasi sicuramente, nel tempo, a impianti più piccoli, più intelligenti, più solidi ed efficienti. Arriverà un momento in cui gli impianti neurali non saranno utilizzati esclusivamente per gravi problemi come paralisi, cecità o amnesia, ma saranno usati da persone con disabilità meno traumatiche. Saranno magari impiegati per potenziare le prestazioni di persone sane, per migliorare la memoria, la concentrazione mentale, persino l’umore. 

Un programma in corso alla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) del Pentagono per lo sviluppo di nuove tecnologie per uso militare, sta già sostenendo il lavoro su impianti cerebrali che migliorano la memoria per aiutare i soldati feriti in guerra, e da qui a ottenere dei “supersoldati” il passo è breve. Si arriverà forse agli “amplificati”, già immaginati dallo scrittore Daniel Wilson, coloro con le capacità cerebrali amplificate dalle tecnologie, che primeggeranno nella vita quotidiana, nella scienza, nello sport e nei conflitti armati? Queste differenze sfideranno la società in nuovi modi, e apriranno possibilità che a malapena possiamo immaginare. 

Come ha detto William Gibson, scrittore di fantascienza ed esponente del cyberpunk, “Il futuro è già qui, solo che è mal distribuito”.

Leggi l’articolo di Gary Marcus e Christof Koch sul Wall Street Journal


Pubblicato il: 22 aprile 2014

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