Muoversi, parlare e toccare con la sola forza del pensiero

Impianti di lettura dell’attività cerebrale sempre più sofisticati stanno dimostrando, in diversi casi studio, di poter aiutare davvero le persone paralizzate a svolgere una gamma sempre più ampia di attività con sempre meno sforzo. Iniziano così ad attirare un certo interesse commerciale.

James Johnson spera di poter guidare di nuovo, un giorno, un’automobile. Se lo farà, lo farà usando solo i suoi pensieri.

Nel marzo 2017, Johnson si è procurato una frattura all’osso del collo in un incidente di go-kart, che lo ha lasciato quasi completamente paralizzato al di sotto delle spalle. Ha capito la sua nuova realtà meglio di molti altri. Per decenni, era stato un assistente di persone con paralisi. “Ho attraversato una profonda depressione”, dice. “Ho pensato che quando questo è successo a me non c’era niente che potessi fare o dare.”

Un uomo manipola un braccio robotico tramite un chip inserito nel suo cervello

Ma poi il gruppo di riabilitazione di Johnson lo ha presentato ai ricercatori del vicino California Institute of Technology (Caltech) di Pasadena, che lo hanno invitato a partecipare a una sperimentazione clinica di un’interfaccia cervello-computer (o BCI, da brain–computer interface). Questo comportava prima un intervento di neurochirurgia per impiantare due griglie di elettrodi nella sua corteccia. Questi elettrodi sarebbero serviti a registrere i neuroni nel suo cervello mentre si attivano, permettendo ai ricercatori di usare algoritmi per decodificare i suoi pensieri e le sue intenzioni. Il sistema permetterebbe poi di usare l’attività cerebrale di Johnson per far funzionare le applicazioni del computer o per muovere un dispositivo protesico. Tutto sommato, ci sarebbero voluti anni e centinaia di sessioni di allenamento intensivo. “Non ho per nulla esitato”, dice Johnson.

La prima volta che ha usato la sua BCI, impiantata nel novembre 2018, Johnson ha spostato un cursore sullo schermo di un computer. “Sembrava Matrix”, dice. “Ci siamo collegati al computer, ed ecco che sono stato in grado di muovere il cursore semplicemente pensando.”

James Johnson usa la sua interfaccia neurale per creare arte fondendo le immagini

Da allora Johnson ha usato la BCI per controllare un braccio robotico, usare il software Photoshop, giocare ai videogiochi “sparatutto”, e ora per guidare un’auto simulata in un ambiente virtuale, cambiando velocità, sterzando e reagendo ai pericoli. “Sono sempre sbalordito da quello che siamo in grado di fare – dice – ed è dannatamente fantastico.”

Johnson è una delle circa 35 persone che hanno avuto una BCI impiantata a lungo termine nel cervello. Solo una dozzina di laboratori conduce queste ricerche, ma il numero sta crescendo. E negli ultimi cinque anni, la gamma di abilità che questi dispositivi possono ripristinare si è ampliata enormemente. Solo l’anno scorso gli scienziati hanno descritto un partecipante allo studio che usava un braccio robotico in grado di inviare un feedback sensoriale direttamente al suo cervello; un dispositivo di protesi vocale per qualcuno impossibilitato a parlare a causa di un ictus; e una persona in grado di comunicare a velocità record immaginando se stessa scrivere a mano.

Finora, la stragrande maggioranza degli impianti per la registrazione a lungo termine da singoli neuroni è stata realizzata da una sola azienda: Blackrock Neurotech, uno sviluppatore di dispositivi medici con sede a Salt Lake City, nello Utah. Ma negli ultimi sette anni, l’interesse commerciale per le BCI è aumentato. In particolare, nel 2016, l’imprenditore Elon Musk ha lanciato Neuralink a San Francisco, con l’obiettivo di collegare esseri umani e computer. L’azienda ha raccolto 363 milioni di dollari. L’anno scorso, anche Blackrock Neurotech e diverse altre nuove aziende BCI hanno attratto importanti finanziamenti.

Portare una BCI sul mercato comporterà, tuttavia, la trasformazione di una tecnologia su misura, testata solo su un piccolo numero di persone, in un prodotto che possa essere fabbricato, impiantato e usato su ampia scala. I grandi studi dovranno dimostrare che le BCI possono funzionare in contesti diversi dalla ricerca e migliorare in modo dimostrabile la vita quotidiana degli utenti, a prezzi che il mercato possa sostenere. La tempistica per raggiungere tutto questo è incerta, ma il settore è ottimista. “Per migliaia di anni, abbiamo cercato un modo per guarire le persone che hanno una paralisi”, dice Matt Angle, fondatore e amministratore delegato di Paradromics, una società di neurotecnologie a Austin, in Texas. “Ora siamo effettivamente sul punto di avere tecnologie che possiamo sfruttare per queste cose.”

Evoluzione dell’interfaccia

Nel giugno 2004, i ricercatori hanno premuto una griglia di elettrodi sulla corteccia motoria di un uomo che era rimasto paralizzato per un accoltellamento. Era la prima persona a ricevere un impianto BCI a lungo termine. Come la maggior parte delle persone che da allora hanno ricevuto una BCI, la sua cognizione era intatta. Poteva immaginare di muoversi, ma aveva perso i percorsi neurali tra la sua corteccia motoria e i suoi muscoli. Dopo decenni di lavoro in molti laboratori sulle scimmie, i ricercatori avevano imparato a decodificare i movimenti degli animali dalle registrazioni in tempo reale dell’attività nella corteccia motoria. Ora speravano di dedurre i movimenti immaginati di una persona dall’attività cerebrale nella stessa regione.

Nel 2006, un articolo di riferimento descriveva come l’uomo avesse imparato a muovere un cursore sullo schermo di un computer, a controllare un televisore e a usare braccia e mani robotiche semplicemente pensando. Lo studio è stato diretto da Leigh Hochberg, neuroscienziato e neurologo della Brown University a Providence, nel Rhode Island, e del Massachusetts General Hospital di Boston. È stato il primo di una serie di studi multicentrici chiamati BrainGate, che continuano ancora oggi.

“Era una dimostrazione molto semplice e rudimentale”, dice Hochberg. “I movimenti erano lenti o imprecisi, o entrambe le cose. Ma ha dimostrato che potrebbe essere possibile registrare l’attività corticale di qualcuno che non è in grado di muoversi e permettergli di controllare un dispositivo esterno.”

Una paziente suona musica con un’applicazione per tastiera controllata dal cervello

Gli utenti BCI di oggi hanno un controllo molto più fine e l’accesso a una gamma più ampia di abilità. In parte, questo è dovuto al fatto che i ricercatori hanno iniziato a impiantare più BCI in diverse aree cerebrali dell’utente e hanno escogitato nuovi modi per identificare i segnali utili. Ma Hochberg dice che la spinta maggiore è venuta dall’apprendimento automatico, che ha migliorato la capacità di decodificare l’attività neurale. Invece di cercare di capire cosa significano i modelli di attività, l’apprendimento automatico semplicemente identifica e collega i modelli all’intenzione dell’utente.

“Abbiamo informazioni neurali; sappiamo che cosa sta cercando di fare la persona che sta generando i dati neurali; e stiamo chiedendo agli algoritmi di creare una mappa tra i due”, dice Hochberg. “Questa si rivela una tecnica notevolmente potente.”

Indipendenza motoria

Alla domanda su che cosa vogliono dalla neurotecnologia di assistenza, le persone paralizzate rispondono più spesso “indipendenza”. Per le persone che non sono in grado di muovere i loro arti, questo significa tipicamente ripristinare il movimento.

Un approccio è  impiantare elettrodi che stimolino direttamente i muscoli degli arti della persona, controllati direttamente dalla BCI. “Se si possono catturare i segnali corticali nativi relativi al controllo dei movimenti della mano, si può essenzialmente passare oltre la lesione del midollo spinale per andare direttamente dal cervello alla periferia”, dice Bolu Ajiboye, neuroscienziato alla Case Western Reserve University di Cleveland, in Ohio.

Nel 2017, Ajiboye e i suoi colleghi hanno scritto di un partecipante che ha usato questo sistema per eseguire movimenti complessi del braccio, tra cui bere una tazza di caffè e nutrirsi. “Quando ha iniziato lo studio – dice Ajiboye – ha dovuto pensare molto intensamente al suo braccio che si muoveva dal punto A al punto B. Ma via via che procedeva nell’allenamento, poteva semplicemente pensare a muovere il braccio e si sarebbe mosso”. Il partecipante ha anche riacquistato un certo senso di appartenenza del braccio.

Ajiboye sta ora espandendo il repertorio dei segnali di comando che il suo sistema può decodificare, come quelli per la forza di presa. Vuole anche dare agli utenti BCI il senso del tatto, un obiettivo perseguito da diversi laboratori.

Nel 2015, un gruppo guidato dal neuroscienziato Robert Gaunt dell’Università di Pittsburgh, in Pennsylvania, ha riferito di aver impiantato una matrice di elettrodi nella regione della mano della corteccia somatosensoriale di una persona, dove sono elaborate le informazioni tattili. Quando hanno usato gli elettrodi per stimolare i neuroni, la persona ha sentito qualcosa di simile all’essere toccata.

Gaunt ha poi unito le forze con la collega di Pittsburgh Jennifer Collinger, una neuroscienziata che studia il controllo delle braccia robotiche tramite BCI. Insieme, hanno costruito un braccio robotico con sensori di pressione incorporati nei polpastrelli, che alimentavano elettrodi impiantati nella corteccia somatosensoriale per evocare un senso sintetico del tatto. Non era una sensazione del tutto naturale: a volte sembrava una pressione o un pungolo, altre volte era più simile a un ronzio, spiega Gaunt. Tuttavia, il feedback tattile ha reso la protesi molto più naturale da usare, e il tempo necessario per raccogliere un oggetto è stato dimezzato, da circa 20 secondi a dieci.

Impiantare matrici in regioni del cervello che hanno ruoli diversi può aggiungere sfumature al movimento in altri modi. Richard Andersen – neuroscienziato che sta conducendo la sperimentazione al Caltech a cui partecipa Johnson – sta cercando di decodificare gli obiettivi più astratti degli utenti attingendo alla corteccia parietale posteriore (PPC), che forma l’intenzione o il piano per muoversi. Per esempio, potrebbe codificare il pensiero “voglio bere qualcosa”, mentre la corteccia motoria dirige la mano verso il caffè, poi porta il caffè alla bocca.

Il gruppo di Andersen sta esplorando come questo doppio input aiuti le prestazioni della BCI, confrontando l’uso delle due regioni corticali da sole o insieme. I risultati non pubblicati mostrano che le intenzioni di Johnson possono essere decodificate più rapidamente nella PPC, “coerentemente con la codifica dell’obiettivo del movimento”, dice Tyson Aflalo, ricercatore senior nel laboratorio di Andersen. L’attività della corteccia motoria, al contrario, dura per tutto il movimento, dice, “rendendo la traiettoria più fluida”.

Questo nuovo tipo di input neurale sta aiutando Johnson e altri a espandere ciò che possono fare. Johnson usa il simulatore di guida, e un altro partecipante può suonare un pianoforte virtuale usando la sua BCI.

Il movimento nel significato

“Uno dei risultati più devastanti legati alle lesioni cerebrali è la perdita della capacità di comunicare”, dice Edward Chang, neurochirurgo e neuroscienziato all’Università della California a San Francisco. Nei primi lavori BCI, i partecipanti potevano muovere un cursore sullo schermo di un computer immaginando che la loro mano si muovesse, e poi immaginando di afferrare per “cliccare” le lettere, offrendo un modo per comunicare. Ma più di recente, Chang e altri hanno fatto rapidi progressi puntando ai movimenti che le persone usano naturalmente per esprimersi.

Il punto di riferimento per la comunicazione attraverso il controllo del cursore – circa 40 caratteri al minuto – è stato fissato nel 2017 da un gruppo guidato da Krishna Shenoy, neuroscienziato alla Stanford University in California.

Poi, l’anno scorso, questo gruppo ha descritto un approccio che ha permesso al partecipante allo studio Dennis Degray, che può parlare ma è paralizzato dal collo in giù, di raddoppiare il ritmo.

Un collega di Shenoy, Frank Willett, ha suggerito a Degray di immaginare la scrittura a mano mentre registravano [segnali] dalla sua corteccia motoria. Il sistema a volte ha faticato ad analizzare i segnali relativi alle lettere che sono scritte a mano in modo simile, come r, n e h, ma in generale potrebbe facilmente distinguere le lettere. Gli algoritmi di decodifica erano di base accurati al 95 per cento, ma quando sono stati corretti automaticamente usando modelli linguistici statistici che sono simili al testo predittivo negli smartphone, questo è salito al 99 per cento.

“Si possono decodificare movimenti davvero rapidi e molto fini – dice Shenoy – e si è in grado di farlo a 90 caratteri al minuto.”

Degray ha avuto nel suo cervello una BCI funzionale per quasi sei anni, ed è un veterano di 18 studi del gruppo di Shenoy. Dice che è notevole come i compiti diventano senza sforzo. Paragona il processo all’imparare a nuotare, dicendo: “All’inizio ti agiti molto, ma all’improvviso, tutto diventa comprensibile”.

L’approccio di Chang per ripristinare la comunicazione si concentra sulla parola invece che sulla scrittura, anche se utilizza un principio simile. Proprio come la scrittura è formata da lettere distinte, il discorso è formato da unità discrete chiamate fonemi, o suoni individuali. Ci sono circa 50 fonemi in inglese, e ognuno è creato da un movimento stereotipato del tratto vocale, della lingua e delle labbra.

Il gruppo di Chang ha lavorato prima sulla caratterizzazione della parte del cervello che genera i fonemi e, quindi, il discorso, una regione non ben definita chiamata corteccia laringea dorsale. Poi, i ricercatori hanno applicato queste conoscenze per creare un sistema di decodifica del discorso che mostrava il discorso desiderato dall’utente come testo su uno schermo. L’anno scorso, hanno riferito che questo dispositivo ha permesso di comunicare a una persona che non poteva più parlare dopo un ictus al tronco cerebrale, utilizzando un vocabolario preselezionato di 50 parole e a una velocità di 15 parole al minuto. “La cosa più importante che abbiamo imparato – dice Chang – è che non è più una teoria; è veramente possibile decodificare parole complete.”

A differenza di altre scoperte di alto profilo sulla BCI, Chang non ha registrato da singoli neuroni. Invece, ha usato elettrodi posti sulla superficie corticale che rilevano l’attività media delle popolazioni neuronali. I segnali non sono a grana fine come quelli degli elettrodi impiantati nella corteccia, ma l’approccio è meno invasivo.

La perdita di comunicazione più profonda si verifica nelle persone in uno stato completamente bloccato, che rimangono coscienti ma non sono in grado di parlare o muoversi. Nel mese di marzo, un team di neuroscienziati, tra cui Ujwal Chaudhary e altri dell’Università di Tubinga, in Germania, ha riferito di avere riavviato la comunicazione con un uomo affetto da sclerosi laterale amiotrofica (SLA). L’uomo aveva precedentemente fatto affidamento sui movimenti degli occhi per comunicare, ma ha gradualmente perso la capacità di muovere gli occhi.

Il gruppo di ricercatori ha ottenuto il consenso della famiglia dell’uomo a impiantare una BCI e ha provato a chiedergli di immaginare movimenti per usare la sua attività cerebrale per scegliere le lettere su uno schermo. Quando il tentativo è fallito, hanno provato a riprodurre un suono che imitava l’attività cerebrale dell’uomo – un tono più alto per una maggiore attività, più basso per una minore – e gli hanno insegnato a modulare la sua attività neurale per aumentare il tono per segnalare “sì” e abbassarlo per “no”. Questa disposizione gli ha permesso di scegliere una lettera ogni minuto circa.

Il metodo differisce da quello di un articolo pubblicato nel 2017, in cui Chaudhary e altri hanno usato una tecnica non invasiva per leggere l’attività cerebrale. Sono stati sollevati dubbi sul lavoro e l’articolo è stato ritrattato, ma Chaudhary lo sostiene.

Questi casi di studio suggeriscono che il campo stia maturando rapidamente, dice Amy Orsborn, che fa ricerche sulle BCI nei primati non umani alla Washington University a Seattle. “C’è stato un notevole incremento sia nel numero di studi clinici che nei salti che stanno facendo nello spazio clinico”, dice. “Il tutto accompagnato dall’interesse industriale.”

Dal laboratorio al mercato

Anche se questi risultati hanno attirato l’attenzione dei media e degli investitori, il campo è ancora lontano dal migliorare la vita quotidiana delle persone che hanno perso la capacità di muoversi o di parlare. Attualmente, i partecipanti allo studio usano le BCI in sessioni brevi e intensive; quasi tutti devono essere fisicamente collegati a una serie di computer e supervisionati da un gruppo di scienziati che lavorano costantemente per affinare e ricalibrare i decodificatori e il software associato. “Quello che voglio – dice Hochberg, parlando come da neurologo esperto di cure critiche – è un dispositivo che sia disponibile, che possa essere prescritto, che sia ‘a pronta consagna’ e che possa essere usato rapidamente.” Inoltre, questi dispositivi dovrebbero idealmente durare per tutta la vita.

Molti importanti accademici stanno ora collaborando con le aziende per sviluppare dispositivi commerciabili. Chaudhary, al contrario, ha co-fondato una società senza scopo di lucro, ALS Voice, a Tubinga, per sviluppare neurotecnologie per le persone in uno stato completamente bloccato.

I dispositivi esistenti di Blackrock Neurotech sono stati un pilastro della ricerca clinica per 18 anni, e ora, secondo il presidente Florian Solzbacher, vuole commercializzare un sistema BCI entro un anno. L’azienda ha fatto un passo avanti lo scorso novembre, quando la US Food and Drug Administration (FDA), che regola i dispositivi medici, ha messo i prodotti dell’azienda in un processo di revisione rapida per facilitare il loro sviluppo commerciale.

Questo possibile primo prodotto userebbe quattro matrici impiantate e si collegherebbe tramite fili a un dispositivo miniaturizzato, che Solzbacher spera mostrerà come possa essere migliorata la vita delle persone. “Non stiamo parlando di un miglioramento del cinque, dieci o 30 per cento dell’efficacia”, dice. “Le persone possono fare qualcosa che prima non potevano fare.”

Blackrock Neurotech sta anche sviluppando una BCI wireless completamente impiantabile, destinata a essere più facile da usare e a eliminare la necessità di avere una “porta” nel cranio dell’utente. Neuralink e Paradromics hanno puntato ad avere queste caratteristiche fin dall’inizio nei dispositivi che stanno sviluppando.

Queste due aziende stanno anche puntando ad aumentare la larghezza di banda del segnale, che dovrebbe migliorare le prestazioni del dispositivo, aumentando il numero di neuroni registrati. L’interfaccia di Paradromics – attualmente in fase di test nelle pecore – ha 1600 canali, divisi tra quattro moduli.

Il sistema di Neuralink utilizza elettrodi molto sottili e flessibili, chiamati fili, che sono progettati sia per piegarsi con il cervello che per ridurre le reazioni immunitarie, dice Shenoy, consulente e consigliere della società. L’obiettivo è rendere il dispositivo più durevole e le registrazioni più stabili. Neuralink non ha pubblicato alcun articolo, ma un post di un blog del 2021 ha riportato il successo dell’impianto di fili nel cervello di una scimmia per registrare in 1024 canali. Gli accademici vorrebbero vedere la tecnologia pubblicata per [farne] un esame completo, e Neuralink ha finora sperimentato il suo sistema solo negli animali. Ma, dice Ajiboye, “se quello che sostengono è vero, è un cambio di gioco”.

Solo un’altra azienda oltre a Blackrock Neurotech ha impiantato una BCI a lungo termine negli esseri umani, e potrebbe rivelarsi una vendita più facile di altre matrici. Synchron a New York City ha sviluppato uno ‘stentrode’, un insieme di 16 elettrodi modellati intorno a uno stent di un vaso sanguigno. Montato in un giorno in un ambiente ambulatoriale, questo dispositivo è infilato attraverso la vena sulla parte superiore della corteccia motoria. Dopo essere stato impiantato in una persona con SLA nell’agosto 2019, la tecnologia è stata messa su un percorso di revisione rapida dalla FDA un anno dopo.

L’interfaccia stentrode può tradurre i segnali cerebrali dall’interno di un vaso sanguigno senza la necessità di un intervento chirurgico a cervello aperto

Simile agli elettrodi che usa Chang, lo stentrode manca della risoluzione di altri impianti, quindi non può essere usato per controllare protesi complesse. Ma permette alle persone che non possono muoversi o parlare di controllare un cursore su una tavoletta del computer, e quindi di scrivere testi, navigare in Internet e controllare le tecnologie connesse.

Il cofondatore di Synchron, il neurologo Thomas Oxley, dice che l’azienda sta ora presentando i risultati di uno studio di fattibilità su quattro persone per la pubblicazione, in cui i partecipanti hanno usato il dispositivo wireless a casa in qualsiasi momento scegliessero di farlo. “Non c’è niente che sporge dal corpo. E funziona sempre”, dice Oxley. Il prossimo passo prima di richiedere l’approvazione della FDA, dice, è uno studio su larga scala per valutare se il dispositivo migliori significativamente la funzionalità e la qualità della vita.

Sfide future

La maggior parte dei ricercatori che lavorano sulle BCI sono realistici sulle sfide che li attendono. “Se si fa un passo indietro, è davvero più complicato di qualsiasi altro dispositivo neurologico mai costruito”, dice Shenoy. “Ci vorranno probabilmente anni di faticosa crescita per far maturare ancora di più la tecnologia.”

Orsborn sottolinea che i dispositivi commerciali dovranno funzionare senza la supervisione di esperti per mesi o anni, e che devono funzionare ugualmente bene in ogni utente. Prevede che i progressi nell’apprendimento automatico affronteranno il primo problema fornendo passi di ricalibrazione per gli utenti da implementare. Ma raggiungere prestazioni coerenti tra tutti gli utenti potrebbe rappresentare una sfida maggiore.

“La variabilità da persona a persona è ciò per cui credo che non sappiamo quale sia la portata del problema”, dice Orsborn. Nei primati non umani, anche piccole variazioni nel posizionamento degli elettrodi possono influenzare i circuiti che vengono colpiti. Sospetta che ci siano anche importanti idiosincrasie nel modo esatto in cui i diversi individui pensano e imparano, e modi in cui i cervelli degli utenti sono stati influenzati dalle loro varie condizioni.

Infine, è ampiamente riconosciuto che la supervisione etica deve tenere il passo con questa tecnologia in rapida evoluzione. Le BCI presentano molteplici preoccupazioni, dalla privacy all’autonomia personale. Gli eticisti sottolineano che gli utenti devono mantenere il pieno controllo delle uscite dei dispositivi. E anche se le tecnologie attuali non possono decodificare i pensieri privati delle persone, gli sviluppatori avranno registrazioni di ogni comunicazione degli utenti e dati cruciali sulla loro salute cerebrale. Inoltre, le BCI presentano un nuovo tipo di rischio di sicurezza informatica.

Per i partecipanti c’è anche il rischio che i loro dispositivi potrebbero non essere supportati per sempre, o che le aziende che li producono chiudono i battenti. Ci sono già stati casi in cui gli utenti hanno subito una delusione quando i loro dispositivi impiantati non sono stati più supportati.

Degray, tuttavia, è ansioso di vedere le BCI raggiungere più persone. Quello che più vorrebbe dalla tecnologia di assistenza è che permettesse di grattarsi il sopracciglio, dice. “Tutti mi guardano sulla sedia a rotelle e dicono: Oh, quel povero ragazzo, non può più giocare a golf. È un peccato. Ma il vero terrore è quando nel mezzo della notte un ragno ti cammina sulla faccia. Quella è la roba brutta.”

Per Johnson, si tratta di connessione umana e feedback tattile; un abbraccio da una persona cara. “Se un giorno in futuro potremo mappare i neuroni che ne sono responsabili e in qualche modo filtrarli in un dispositivo protesico, allora mi sentirò ben soddisfatto per i miei sforzi in questi studi.”

 

Fonte: Le Scienze

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