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Interfacce uomo macchina sempre più piccole e precise

Non solo Neuralink: il boom delle startup che vogliono collegare il nostro cervello a un computer. Anche grazie alla società di neurotecnologie di Elon Musk, il settore sta attirando sempre di più l'interesse del pubblico e degli investitori, con risultati promettenti. A settembre Neuralink, l'azienda di impianti cerebrali di Elon Musk, ha annunciato che avrebbe finalmente iniziato a reclutare volontari per una sperimentazione clinica volta a testare il suo dispositivo. Si tratta di una “interfaccia cervello-computer” (Bci) in grado di captare l'attività elettrica dei neuroni e convertire questi segnali in comandi per controllare un dispositivo esterno, di norma un computer. L'utilizzo di un simile dispositivo è principalmente di tipo medico: l'obiettivo dichiarato dell'azienda, infatti, è quello di consentire alle persone paralizzate di controllare un cursore o una tastiera con il solo pensiero. La concorrenza Ma Neuralink non è l'unica società attiva nel settore. Nel 2023, il principale concorrente dell'azienda di neurotecnologie di Musk, Synchron, ha dimostrato la sicurezza a lungo termine del suo impianto. Altre startup hanno poi testato i propri dispositivi su soggetti umani, e diverse imprese si sono affacciate sulla scena. "Può sembrare un anno di svolta, ma in realtà è il risultato di decenni di lavoro nel mondo accademico", afferma Sumner Norman, ricercatore del California institute of technology e cofondatore e ad della startup Forest Neurotech, lanciata lo scorso ottobre.

Le origini delle Bci risalgono agli anni Sessanta e Settanta, quando i primi dispositivi furono testati su animali da laboratorio. Man mano che i ricercatori hanno iniziato a comprendere meglio il cervello, questi sistemi si sono evoluti diventando più sofisticati e consentendo alle persone paralizzate di muovere bracci robotici, giocare ai videogame e comunicare con la mente. Da attività prevalentemente accademica, le Bci sono diventate l'oggetto dell'interesse di un gruppo crescente di aziende nate dopo la fondazione di Neuralink nel 2016. "La scienza e la tecnologia hanno raggiunto un livello di maturità tale da poter iniziare ad avere effetti reali e sbalorditivi sulla condizione umana – afferma Jacob Robinson, ad e fondatore della startup Motif Neurotech e professore di ingegneria alla Rice University –. Persone come Elon Musk ne hanno riconosciuto le potenzialità e investono capitali nella commercializzazione di questa tecnologia". Nonostante le recenti polemiche sul trattamento riservato ad un gruppo di scimmie, utilizzate da Neuralink come cavie, l'azienda di Musk ha recentemente raccolto altri 43 milioni di dollari in capitale di rischio, portando l'azienda a oltre 323 milioni di dollari, secondo i dati depositati presso la Securities and exchange commission statunitense. Anche gli investimenti governativi, in particolare quelli della Defense advanced research projects agency degli Stati Uniti e della Brain initiative del National institutes of health americano, hanno contribuito a far progredire il settore. Quest'ultima ha investito più di 3 miliardi di dollari nella ricerca sulle neuroscienze dal 2014. Dispositivi più piccoli e meno invasivi La frontiera più recente di questa tecnologia si concentra sulla creazione di dispositivi più commercializzabili. Con l'obiettivo di rendere accessibili ai pazienti sistemi pratici da utilizzare anche a casa, le aziende stanno sviluppando sistemi wireless con impianti più compatti, flessibili e in grado di registrare una maggiore quantità di dati neurali rispetto al tradizionale Utah array, un dispositivo a pettine utilizzato per rilevare i segnali cerebrali largamente utilizzato come Bci, ma considerato piuttosto invasivo. Synchron, che ha sede a New York, sta sperimentando nuove soluzioni: il suo impianto cerebrale, simile a uno stent, ha già raccolto 145 milioni di dollari dal 2016. E a gennaio 2023, l'azienda ha pubblicato i dati relativi a quattro pazienti paralizzati in Australia su cui ha condotto dei test, dimostrando che il suo dispositivo è in grado di trasmettere in modo sicuro i segnali neurali dall'interno di un vaso sanguigno nel cervello umano senza effetti collaterali rilevanti. La qualità del segnale è rimasta stabile durante i dodici mesi dello studio e il dispositivo ha permesso ai partecipanti di inviare messaggi di testo, email e navigare sul web tramite la sola attività cerebrale. La novità di questo micro dispositivo è che non richiede un intervento chirurgico invasivo per essere impiantato, ma viene invece posizionato attraverso una fessura alla base del collo e infilato nella corteccia motoria, la parte del cervello che dirige i movimenti, attraverso la vena giugulare. Il dispositivo è alimentato da una piccola batteria posizionata sotto la pelle del torace. Synchron ha già impiantato il sistema in dieci pazienti, di cui sei in uno studio di fattibilità negli Stati Uniti sostenuto dalla Brain initiative. Apparecchi innovativi Nel 2023 altre aziende sperimentato sugli esseri umani nuovi tipi di dispositivi. In primavera, Precision Neuroscience, con sede a New York, ha impiantato il suo Bci in tre persone per circa quindici minuti. I pazienti si stavano sottoponendo a un intervento chirurgico al cervello per altri motivi e Precision voleva verificare se il suo impianto fosse stato in grado di “leggere”, registrare e mappare l'attività elettrica dalla superficie del cervello. Da allora la startup ha condotto test simili su altri due pazienti e prevede di espandere lo studio nel 2024. Fondata nel 2021 da Benjamin Rapoport, che è stato anche cofondatore di Neuralink, Precision ha sviluppato un array (vettore) di pellicole sottili larghe un quinto di un capello umano che aderisce alla superficie del cervello. La tecnologia è stata progettata per essere meno invasiva di impianti come l'Utah array, che si collocano più in profondità nel cervello. La penetrazione degli array tradizionali, infatti, può causare infiammazioni e cicatrici del tessuto cerebrale, con conseguente perdita di qualità del segnale nel tempo. Negli studi condotti all'inizio del 2023, Precision ha dimostrato che il suo array è in grado di registrare l'attività cerebrale in modo più dettagliato e con una risoluzione più elevata rispetto agli attuali elettrodi di superficie utilizzati per monitorare le crisi epilettiche e per mappare il cervello. Quando i pazienti devono sottoporsi a un intervento chirurgico al cervello, per esempio per rimuovere un tumore, i medici posizionano gli elettrodi sul loro cervello per identificare i confini delle aree coinvolte nel linguaggio e nel movimento, in modo da poter evitare quelle regioni vitali durante l'operazione. "Siamo già riusciti a creare un'immagine del cervello umano, da sveglio, con la risoluzione più elevata mai ottenuta finora", afferma Michael Mager, cofondatore e ad di Precision. In ottobre, l'azienda ha anche annunciato di aver acquisito uno stabilimento per produrre i suoi array su scala più ampia. Mager afferma che un team di undici persone della sua azienda è già in grado di produrre alcune centinaia di dispositivi al mese. Curare i disturbi psichiatrici Inizialmente, Precision prevedeva di utilizzare il suo vettore per aiutare le persone paralizzate a utilizzare un computer e a comunicare digitalmente, ma poi ha spostato il suo focus sul trattamento di una serie di malattie neurologiche e neurodegenerative, tra cui ansia, depressione e demenza. Anche Motif Neurotech di Jacob Robinson sta creando terapie per le malattie mentali. A settembre la startup di Houston ha annunciato che dei chirurghi hanno installato temporaneamente il loro dispositivo nel cranio di un paziente a cui stava per essere rimosso un tumore al cervello. I risultati dell'esperimento – che però non sono ancora stati sottoposti a revisione peer to peer – mostrano come il dispositivo di Motif sia in grado di fornire una stimolazione efficace al cervello, senza entrare effettivamente in contatto con esso. L'impianto è rimasto collegato al cervello del paziente solo per pochi minuti. I ricercatori dell'azienda hanno anche scoperto di poter fornire con il loro dispositivo una stimolazione cerebrale sicura ed efficace nei maiali per un mese. Motif intende utilizzare l'apparecchio per aiutare le persone affette da depressione resistente ad altri trattamenti, una condizione che oggi colpisce milioni di persone negli Stati Uniti. "Penso che ci sia l'opportunità di essere meno invasivi", afferma Robinson. Posizionare un impianto nel cranio invece che nel cervello potrebbe evitare danni ai tessuti, emorragie e infezioni. Anche il dispositivo di Neuralink è pensato per essere inserito nel cranio, ma ha fili sottili che raggiungono il tessuto cerebrale. Il dispositivo di Motif si inserisce nel cranio appena sopra la dura, la membrana protettiva che avvolge il tessuto cerebrale. Il dispositivo agirà sulla corteccia pre-frontale, che è compromessa nei pazienti con disturbo depressivo maggiore. Inoltre, l'impianto è alimentato dalla tecnologia magnetoelettrica wireless sviluppata da Robinson alla Rice University, una tecnologia che elimina la necessità di una batteria nel dispositivo, che viene invece ricaricato da una speciale cuffia da indossare per circa venti minuti al giorno. Onde sonore Anche Forest Neurotech di Los Angeles, fondata nel 2023, punta a contrastare i disturbi psichiatrici e cognitivi con la sua tecnologia. La startup senza scopo di lucro utilizza un sistema per miniaturizzare gli ultrasuoni in un impianto neurale e sta già lavorando attivamente a un prototipo con il partner Butterfly Network, un'azienda di ultrasuoni del Massachusetts. Invece di interagire con l'attività elettrica delle onde cerebrali, il dispositivo proposto da Forest utilizzerà le onde sonore tramite le quali fornirà anche una stimolazione terapeutica. Gli ultrasuoni funzionano emettendo onde sonore ad alta frequenza nel corpo e misurando gli "echi" di queste vibrazioni. L'osso, tuttavia, non è permeabile da queste onde, quindi Forest prevede di inserire il dispositivo all'interno del cranio tramite una breve procedura ambulatoriale non invasiva. A novembre, Norman e i suoi collaboratori hanno pubblicato uno studio che dimostra come gli ultrasuoni possano alimentare efficacemente una Bci. In alcuni esperimenti hanno usato gli ultrasuoni funzionali per misurare i cambiamenti del flusso sanguigno nel cervello di due macachi, mentre gli animali eseguivano movimenti della mano e degli occhi. Alle scimmie è stato insegnato a pianificare il movimento della mano in modo da muovere un cursore su uno schermo, oppure a indirizzare il movimento degli occhi su una parte specifica dello schermo. Dopo l'addestramento, agli animali erano in grado di controllare un computer con il semplice pensiero. Questo articolo è precedentemente apparso su Wired US. Read the full article

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“Dall’alto, dalla punta estrema dell’universo, passando per il cranio, e giù fino ai talloni, alla velocità della luce, e oltre, attraverso ogni atomo di materia. Tutto mi chiede salvezza. Per i vivi e i morti, salvezza”. (Daniele Mencarelli)

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Gli astrociti migliorano le funzioni sinaptiche nel cervello

Plasticità sinaptica: non solo neuroni. Lo studio dell'Università Politecnica pubblicato da Nature Neuroscience. Uno studio di ricercatori dell’Istituto di Neuroscienze del CNR, dell’Università Politecnica delle Marche e dell’IIT, pubblicato dalla rivista Nature Neuroscience, dimostra che le cellule gliali astrocitarie contribuiscono alla plasticità cerebrale. Ricercatori dell’Istituto di Neuroscienze del CNR (IN-CNR), dell’Università Politecnica delle Marche e dell’IIT Istituto Italiano di Tecnologia, hanno scoperto un nuovo meccanismo di plasticità sinaptica che controlla l’attività di specifici neuroni di una piccola regione del cervello (denominata Area Tegmentale Ventrale; VTA) che svolgono un ruolo fondamentale in complessi processi cerebrali, come la ricompensa e l’apprendimento ad essa associato, l’avversione, la motivazione, l’attenzione e l’attività locomotoria. L’articolo dal titolo “Astrocytes mediate long-lasting synaptic regulation of ventral tegmental area dopamine neurons” è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nature Neuroscience. (link: https://www.nature.com/articles/s41593-022-01193-4). La plasticità, ovvero la capacità di generare risposte diverse in risposta allo stesso stimolo, rappresenta una delle proprietà più affascinanti del cervello ed è fondamentale per i processi di apprendimento e memoria. Tradizionalmente, questa proprietà del cervello è attribuita all’interazione tra neuroni che si svolge nelle sinapsi.

Nel cervello esistono tuttavia altri tipi di cellule e, tra queste, quelle chiamate astrociti (che sono almeno tanto numerosi quanto i neuroni) hanno da più di un secolo costituito un formidabile problema legato all’incapacità di definirne la funzione. Solo negli ultimi decenni, si è scoperto che una delle funzioni degli astrociti (la cellula a forma di stella al centro della Figura) è rappresentata dalla loro capacità di influenzare la funzione delle sinapsi. Utilizzando un approccio multidisciplinare che include esperimenti di elettrofisiologia, calcium imaging, chemogenetica e microscopia elettronica, i ricercatori hanno scoperto che l’attivazione degli astrociti della VTA induce un potenziamento a lungo termine (una forma di plasticità) della trasmissione sinaptica mediata dal neurotrasmettitore glutammato e che questa modulazione è presente nelle femmine sin dalle prime fasi di sviluppo mentre nei maschi mostra una maturazione più lenta. In particolare, l’attivazione selettiva degli astrociti della VTA aumenta l’attività delle cellule dopaminergiche e questa stimolazione favorisce un’attività iper-locomotoria associata alla maggior attività fasica delle cellule dopaminergiche. “L’articolo pubblicato su Nature Neuroscience, con il contribuito del gruppo di Fisiologia della nostra Università – afferma il Rettore Prof. Gian Luca Gregori – ci rende particolarmente orgogliosi; una ricerca multidisciplinare che assume un ruolo chiave per il benessere delle persone, aprendo nuove prospettive scientifiche.” “Questi risultati – spiega il Prof. Fiorenzo Conti, coordinatore del gruppo dell’Università Politecnica delle Marche - non solo confermano con tecniche sofisticate il ruolo degli astrociti nella modulazione della funzione sinaptica, e quindi cerebrale, ma dimostrano per la prima volta che essi sono essenziali in un almeno un tipo di plasticità sinaptica”.  Questo studio sottolinea ancora una volta come solo un’approfondita comprensione delle interazioni funzionali che si stabiliscono tra neuroni e astrociti potrà chiarire non solo le regole che sono alla base del funzionamento dei circuiti cerebrali ma anche come i difetti di queste interazioni possano contribuire o perfino essere la principale causa delle diverse patologie del cervello. Lo studio apre infine nuove prospettive per la comprensione dei meccanismi operanti nei circuiti della ricompensa. Le alterazioni delle funzioni degli astrociti potrebbero portare allo sviluppo di stati patologici associati a questi circuiti, come le dipendenze, i disturbi della motivazione, i disturbi psichiatrici con una forte componente motoria, i disturbi da iperattività e il deficit di attenzione. Read the full article