Comunicazione cervello-computer: dai film di fantascienza alla realtà
Gli avanzamenti scientifici degli ultimi decenni ci hanno avvicinato a tecnologie che, fino a poco tempo fa, sembravano appartenere solo al mondo della fantascienza. Oggi, la possibilità di comunicare o di muovere un braccio robotico attraverso il solo uso del pensiero si sta consolidando in una realtà sempre più concreta.
Le neuroprotesi (o interfacce cervello-computer) sono emerse dall’interazione tra le neuroscienze, l’ingegneria biomedica e l’informatica e costituiscono attualmente un campo in enorme espansione in ambito clinico, finalizzato a ripristinare o potenziare funzioni sensoriali, motorie o cognitive compromesse a seguito di patologie neurologiche o lesioni traumatiche. Il loro funzionamento si basa sulla creazione di un ponte di comunicazione tra mente e macchina: da un lato, le neuroprotesi permettono di rilevare e interpretare i segnali elettrici provenienti dal cervello (e quindi le intenzioni, i movimenti e le percezioni della persona); dall’altro, rendono possibile modulare attivamente l’attività neurale, stimolando i nervi o il cervello per ripristinare le funzioni compromesse.
Sebbene negli ultimi sessant’anni la ricerca sulle neuroprotesi abbia prodotto notevoli avanzamenti tecnologici nel ripristino delle funzioni motorie e sensoriali, la loro applicazione a funzioni cognitive di alto livello rimane ad oggi poco esplorata e rappresenta una frontiera rilevante per la ricerca futura.
Neuroprotesi motorie
La prima applicazione clinica delle neuroprotesi risale al 1961, quando Liberson e colleghi idearono un dispositivo che riusciva a correggere nei pazienti emiplegici il fenomeno del “piede cadente”, ovvero l’incapacità di sollevare la parte anteriore del piede. Questo dispositivo stimolava elettricamente il nervo peroneo, inducendo la contrazione muscolare e il movimento dell’arto paralizzato.
Oggi, le neuroprotesi motorie intervengono a diversi livelli della produzione del movimento, attraverso la stimolazione elettrica delle strutture coinvolte in questo processo: i muscoli, i nervi periferici, il midollo spinale e il cervello.
Gli sviluppi più recenti si focalizzano proprio su quest’ultima struttura: le moderne interfacce cervello-computer consentono di controllare l’output motorio in base ai segnali neurali provenienti dalla corteccia motoria della persona, che codificano informazioni intenzionali come la velocità, la direzione e la forza del movimento. Queste informazioni vengono registrate invasivamente, tramite elettrodi impiantati nel cervello, o non invasivamente, tramite EEG, e utilizzate per controllare dispositivi esterni, come braccia robotiche o esoscheletri, oppure per modulare direttamente i movimenti dell’arto del paziente mediante sistemi di stimolazione elettrica, simili al dispositivo progettato nello studio pionieristico di Liberson.
Neuroprotesi sensoriali
Attraverso la stimolazione elettrica, le neuroprotesi possono indurre non solo il movimento, ma anche percezioni sensoriali come quelle uditive nei pazienti con sordità profonda, o quelle tattili e propriocettive in soggetti amputati o con lesioni midollari. Nel primo caso, ad esempio, sono stati sviluppati gli impianti cocleari, neuroprotesi in grado di stimolare direttamente il nervo acustico, convertendo i suoni in segnali elettrici e consentendo il ripristino della percezione uditiva. Nel secondo caso, il target della stimolazione può riguardare sia strutture periferiche, come i nervi sensoriali, sia aree centrali, modulando l’attività neurale della corteccia somatosensoriale.
L’integrazione tra funzione motoria e somatosensoriale ha inoltre portato allo sviluppo di neuroprotesi operanti in “closed loop”, basate su circuiti bidirezionali che registrano i segnali motori e forniscono contemporaneamente un feedback sensoriale utilizzato per modulare il movimento in tempo reale.
Neuroprotesi per il linguaggio: la tecnologia che restituisce la voce ai pazienti
Un altro ambito di applicazione delle neuroprotesi, ancora in via sperimentale, riguarda il ripristino della comunicazione in persone paralizzate, ottenuto tramite la decodifica dell’attività neurale generata dal tentativo di parlare e la sua traduzione in testo o in linguaggio vocale.
Ad esempio, in uno studio di Metzger e colleghi (2023) è stata registrata l’attività neurale delle aree cerebrali coinvolte nel linguaggio in un paziente paralizzato mentre tentava di pronunciare mentalmente delle frasi. Attraverso modelli di deep learning, i segnali neurali sono stati decodificati e trasformati in linguaggio vocale, trasmesso da un avatar animato che riproduceva contemporaneamente i movimenti facciali immaginati dal paziente.
Questo tipo di tecnologia consente di ripristinare una comunicazione rapida, accurata e in grado di includere anche elementi non verbali, come le espressioni facciali, restituendo ai pazienti la ricchezza e la spontaneità della comunicazione naturale.
Le neuroprotesi come frontiera del potenziamento cognitivo
L’obiettivo a lungo termine della ricerca sulle neuroprotesi mira al raggiungimento di tecnologie per il potenziamento delle capacità cognitive di alto livello, come l’apprendimento, la memoria e l’attenzione. Ad esempio, il disturbo di Alzheimer si manifesta principalmente con deficit di memoria episodica, associati a specifiche alterazioni delle oscillazioni neurali, tra cui un incremento dei ritmi a bassa frequenza (delta e theta) e una riduzione dei ritmi più rapidi (alfa e beta). In questo contesto, si ipotizza che neuroprotesi in grado di modulare l’attività neurale e ripristinare le oscillazioni fisiologiche possano rappresentare un approccio promettente per alleviare i deficit di memoria nei pazienti affetti da Alzheimer e da altri disturbi di memoria.
Un futuro popolato da cyborg?
Tutti i dispositivi visti finora stanno trovando applicazione soprattutto nell’ambito clinico, con il fine di ripristinare le funzioni compromesse nei pazienti. Tuttavia, risulta ormai facile immaginare che questo genere di tecnologie possa in futuro prendere piede anche tra i soggetti sani, al fine di potenziare le normali funzioni cognitive del cervello umano ed eludere i limiti biologici che lo caratterizzano. Una simile prospettiva solleva inevitabilmente interrogativi non solo scientifici, ma anche etici e sociali, e porta con sé i vantaggi e i rischi associati alla possibilità di ridefinire i confini delle capacità umane.
