Come funziona un impianto neurale? — Istituto dante alighieri

Sembra fantascienza, ma un impianto neurale potrebbe, tra qualche anno, leggere e modificare i pensieri di una persona. Gli impianti neurali vengono già utilizzati per la cura di diverse patologie, la riabilitazione dopo un infortunio, il miglioramento della memoria, il controllo di arti protesici e altro ancora. Il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti e il National Institutes of Health (NIH), così come molti altri enti , hanno stanziato centinaia di milioni di dollari per potenziare la ricerca in questo ampio settore che acquista sempre più importanza in ambito scientifico. Un tema così caldo nel mondo della scienza, merita di essere adeguatamente approfondito. Cercheremo in modo semplice di spiegare il significato del termine “impianto neurale”, quali sono i tipi di impianti neurali attualmente esistenti e come funzionano. Cos’è un impianto neurale? Un impianto neurale è un dispositivo tecnologico, in genere un elettrodo, che si connette direttamente al cervello di un soggetto dopo essere stato posizionato per via chirurgica o per iniezione, solitamente sulla superficie del cervello o in prossimità della corteccia cerebrale. In altre parole un impianto neurale è un particolare strumento che consente di penetrare il sistema nervoso di un soggetto, grazie all’interazione con le unità cellulari che costituiscono il tessuto nervoso di quest’ultimo, i neuroni. eADV

I neuroni , grazie alle loro peculiari proprietà fisiologiche e chimiche sono in grado di ricevere, elaborare e trasmettere impulsi nervosi sia eccitatori che inibitori, nonché di produrre sostanze denominate neurosecreti . Essi dunque comunicano nella stessa lingua in cui comunica l’elettricità, difatti sparano impulsi elettrici in particolari schemi contenenti informazioni, che vengono poi trasmesse ad altri neuroni o cellule effettrici, ad esempio muscolari o ghiandolari. Grazie agli impianti neurali è possibile registrare l’attività elettrica neurale nativa, consentendo ai ricercatori di osservare i modelli con cui comunicano i circuiti neurali sani. Gli impianti neurali possono anche inviare impulsi di elettricità ai neuroni, scavalcando gli impulsi nativi e costringendo i neuroni a comunicare in modo diverso.

Che si tratti di neuromodulazione, elettroceutica o bioelettronica, qualsiasi intervento che coinvolga l’utilizzo di impianti neurali ha il potenziale di diventare uno strumento medico straordinario. Basta considerare le funzioni del sistema nervoso ( per citarne alcune: controllo del pensiero, della vista, dell’udito, delle emozioni, controllo e coordinazione del movimento, controllo di molti processi involontari come la funzione degli organi e dei sistemi infiammatorio, respiratorio, cardiovascolare e immunitario del corpo) e pensare che “Tutto ciò che fa il sistema nervoso potrebbe essere aiutato o guarito da un intervento elettricamente attivo – se sapessimo come farlo”, come afferma lo stesso Gene Civillico , neuroscienziato del NIH, che gestisce il programma di finanziamento per la stimolazione dei nervi periferici dell’agenzia SPARC .

Come vengono utilizzati gli impianti neurali?

Un obiettivo comune dei moderni impianti neurali e al centro di molte ricerche in corso è quello di creare bio-protesi in grado di bypassare le aree del cervello che sono diventate disfunzionali a seguito di ictus o altre lesioni. Ciò include la sostituzione sensoriale, ad esempio, il ripristino della vista o dell’udito. Ma questo non è il solo utilizzo. Alcuni impianti cerebrali vengono utilizzati per il trattamento di patologie neurologiche e psichiatriche, altri sono utilizzati in esperimenti su animali semplicemente per registrare l’attività cerebrale per motivi scientifici. Altri ancora sono coinvolti nella creazione di interfacce che mettono in comunicazione il sistema nervoso umano con i chip dei computer . Questo approccio fa parte di un filone di ricerca più ampio denominato Brain-Computer Interfaces. Vediamo in maniera approfondita i vari utilizzi.

Stimolazione cerebrale profonda

Uno degli usi clinici più affermati degli impianti neurali è in un trattamento chiamato stimolazione cerebrale profonda (DBS). In questa terapia, gli elettrodi vengono posizionati chirurgicamente in profondità nel cervello, dove stimolano elettricamente strutture specifiche nel tentativo di ridurre i sintomi di vari disturbi cerebrali. La Food and Drug Administration (FDA) statunitense ha approvato per la prima volta l’uso della DBS nel 1997 per il tremore essenziale. Da allora, la FDA e altri regolatori globali hanno approvato la DBS per la malattia di Parkinson, la distonia, l’acufene, l’epilessia, il disturbo ossessivo-compulsivo e il dolore neuropatico. La DBS viene anche studiata come trattamento per la sindrome di Tourette e disturbi psichiatrici come la depressione . Si stima che oltre 150.000 persone in tutto il mondo abbiano ricevuto un impianto DBS.

I ricercatori hanno anche dedicato molto tempo alla manipolazione del nervo vago mediante impianti neurali. Il nervo vago collega la maggior parte dei nostri organi chiave al tronco encefalico e i ricercatori stanno cercando di “hackerare” questa comunicazione ad alta velocità nel tentativo di trattare patologie, quali l’ insufficienza cardiaca , l’ ictus , l’ artrite reumatoide , la malattia di Crohn , l’ epilessia , il diabete di tipo 2, l’ obesità , la depressione, l’ emicrania e altri disturbi.

Stimolazione epidurale

Alcuni degli esperimenti più emozionanti che coinvolgono gli impianti neurali sono quelli che riguardano la stimolazione del midollo spinale, noto anche come stimolazione epidurale . Il trattamento ha permesso a molte persone con paralisi nella parte inferiore del corpo di muoversi , stare in piedi e persino camminare per una breve distanza per la prima volta da quando hanno riportato lesioni al midollo spinale.

Neuromodulazione: protesi controllate con la mente

Forse nessuna ricerca sulla neuromodulazione ha affascinato l’immaginazione del pubblico più delle protesi controllate dalla mente. Questi sistemi consentono agli amputati di controllare mani , braccia e gambe robotiche – in modi rudimentali – usando i loro pensieri. Ciò può essere realizzato con un impianto neurale nel cervello o all’estremità sopra l’amputazione . Alcuni di questi arti robotici possono anche fornire un feedback sensoriale stimolando i nervi appena sopra l’amputazione , dando all’utente la sensazione di ciò che sta toccando .

Interfacce cervello- computer

Un’ interfaccia neurale, nota anche con il termine inglese Brain-computer interface (BCI, letteralmente “interfaccia cervello-computer”), è un mezzo di comunicazione diretto tra un cervello (o più in generale parti funzionali del sistema nervoso centrale) e un dispositivo esterno quale ad esempio un computer.

Grazie a questo sistema i ricercatori hanno migliorato con successo la capacità di memoria delle persone per compiti specifici stimolando le strutture cerebrali in modi precisi. Gli individui quadriplegici con protesi cerebrali hanno utilizzato computer e frasi dattiloscritte usando solo i loro pensieri . Esistono perfino algoritmi in grado di determinare l’umore di una persona in base all’analisi della sola attività cerebrale. Ad oggi un paio di aziende hanno introdotto con successo sul mercato impianti che correggono la comunicazione neurale tra l’occhio e il cervello . Da non dimenticare, infine, gli ambiziosi progetti dell’imprenditore Elon Musk che con la sua startup Neuralink intende sincronizzare il nostro cervello con l’intelligenza artificiale .

Quali sono le prospettive per gli impianti neurali?
L’ invasività di qualsiasi impianto ne limita l’uso. È difficile giustificare un intervento chirurgico al cervello o alla colonna vertebrale a meno che una persona non abbia un grave bisogno medico. Quindi gli ingegneri e i ricercatori oggi sono costantemente impegnati nella progettazione di dispositivi sempre più efficienti, in grado di raggiungere le profondità del corpo con un impatto minore sui tessuti. Gli ingegneri spingono continuamente i limiti per ciò che è tecnicamente possibile. Si tratta di ridurre l’onere chirurgico, aumentare la natura cronica dell’impianto e cercare costantemente di ottenere elettrodi sempre più piccoli che coprano un’area più ampia del cervello”, ha affermato David McMullen , capo del programma di neuromodulazione e neurostimolazione presso l’ Istituto nazionale americano di salute mentale. Ad oggi i risultati raggiunti sono notevoli: gli ingegneri hanno inventato impianti cerebrali delle dimensioni di un granello di polvere , elettrodi che si arrampicano sui nervi come una vite, elettrodi realizzati con materiali flessibili con un filo nanoelettronico , elettrodi simili a stent o ” stentrodi ” che possono raggiungere il cervello attraverso i vasi sanguigni e registrare l’elettricità attività, una maglia elettronica iniettabile a base di nanofili di silicio, elettrodi che possono essere iniettati nel corpo come un liquido e quindi indurirsi in una sostanza elastica simile a un taffy e altro ancora. Grazie a questo sistema i ricercatori hanno migliorato con successo la capacità di memoria delle persone per compiti specifici stimolando le strutture cerebrali in modi precisi. Gli individui quadriplegici con protesi cerebrali hanno utilizzato computer e frasi dattiloscritte usando solo i loro pensieri . Esistono perfino algoritmi in grado di determinare l’umore di una persona in base all’analisi della sola attività cerebrale. Ad oggi un paio di aziende hanno introdotto con successo sul mercato impianti che correggono la comunicazione neurale tra l’occhio e il cervello . Da non dimenticare, infine, gli ambiziosi progetti dell’imprenditore Elon Musk che con la sua startup Neuralink intende sincronizzare il nostro cervello con l’intelligenza artificiale .

Quali sono le prospettive per gli impianti neurali?

L’ invasività di qualsiasi impianto ne limita l’uso. È difficile giustificare un intervento chirurgico al cervello o alla colonna vertebrale a meno che una persona non abbia un grave bisogno medico. Quindi gli ingegneri e i ricercatori oggi sono costantemente impegnati nella progettazione di dispositivi sempre più efficienti, in grado di raggiungere le profondità del corpo con un impatto minore sui tessuti.

“Gli ingegneri spingono continuamente i limiti per ciò che è tecnicamente possibile. Si tratta di ridurre l’onere chirurgico, aumentare la natura cronica dell’impianto e cercare costantemente di ottenere elettrodi sempre più piccoli che coprano un’area più ampia del cervello”, ha affermato David McMullen , capo del programma di neuromodulazione e neurostimolazione presso l’ Istituto nazionale americano di salute mentale.

Ad oggi i risultati raggiunti sono notevoli: gli ingegneri hanno inventato impianti cerebrali delle dimensioni di un granello di polvere , elettrodi che si arrampicano sui nervi come una vite, elettrodi realizzati con materiali flessibili con un filo nanoelettronico , elettrodi simili a stent o ” stentrodi ” che possono raggiungere il cervello attraverso i vasi sanguigni e registrare l’elettricità attività, una maglia elettronica iniettabile a base di nanofili di silicio, elettrodi che possono essere iniettati nel corpo come un liquido e quindi indurirsi in una sostanza elastica simile a un taffy e altro ancora.

Inoltre oggi la neuromodulazione può anche essere eseguita in modo non invasivo utilizzando elettrodi o bobine magnetiche posizionate sopra o in prossimità della pelle. La strategia si è dimostrata efficace per alcune condizioni, sebbene finora non abbia raggiunto la specificità o l’efficacia degli impianti.

Ma questi dispositivi innovativi ci portano solo fino ad un certo punto. “C’è un malinteso sul fatto che gli ostacoli [alla neuromodulazione] sono principalmente tecnici, come la credenza che l’unica ragione per cui non abbiamo dispositivi controllati dal pensiero è perché nessuno ha ancora realizzato un elettrodo sufficientemente flessibile”, afferma Civillico presso NIH.

Difatti, i ricercatori hanno ancora bisogno di una più completa comprensione di base della fisiologia dei circuiti neurali. Hanno bisogno di mappe su come i neuroni comunicano e sugli effetti specifici di questi circuiti sul corpo e sul cervello. Senza queste mappe, anche gli impianti più innovativi effettivamente ” sparano impulsi elettrici nell’oscurità”.