Neuroscienza e neurotecnologia, il futuro è oggi!

fonte: www.researchitaly.it

Siamo ai confini più avanzati della scienza, dove le neuroscienze si incontrano con l’ingegneria e la medicina si combina con l’elettronica. In termini generali il beneficio che è alla base dell’incontro tra neuroscienze e neurotecnologia consiste nella possibilità di connettere un computer o un arto robotico direttamente al cervello umano.

E ciò per due finalità essenziali: a) per fini di mercato, sfruttando a pieno e incrementando le potenzialità del nostro cervello; b) per fini terapeutici, alleviando o curando i disturbi del sistema nervoso. Sia modulando le funzioni neurofisiologiche – ad es. la stimolazione cerebrale profonda in pazienti con Morbo di Parkinson; sia reintegrando le funzioni motorie – ad es. le interfacce cervello-computer per persone con gravi paralisi o le apparecchiature per la neuroriabilitazione di pazienti affetti da ictus cerebrale; sia restituendo le funzioni sensoriali, p.e. gli impianti cocleari o retinici. Tutto ciò allo scopo di abbattere le barriere della malattia e dell’estraneità.

Per far intuire lo straordinario cambiamento di prospettiva generato dalle moderne neurotecnologie, potremmo fornire l’esempio della sedia a rotelle: fino a qualche anno fa essa era tutto ciò che la scienza poteva offrire alle persone colpite da una paralisi. Oggi, in molti casi, è già possibile camminare di nuovo indossando sottili esoscheletri. Col progredire delle ricerche sempre più persone che non possono più vedere, ad es. per una retinite pigmentosa, o parlare; che non possono più udire, o che hanno perduto la sensibilità tattile, potranno vedere di nuovo, parlare, ascoltare o percepire col proprio corpo tramite interfacce cervello-computer (Brain-Computer Interfaces – BCI). In una classica interfaccia cervello-computer, un flusso di dati va dal cervello a un dispositivo elettronico; o, viceversa, le informazioni vanno dal dispositivo al cervello. Più specificamente, i segnali elettrofisiologici inviati dal cervello sono tradotti da un decodificatore (decoder) in comandi motori comprensibili a un dispositivo elettronico. Oppure, per gestire il flusso di informazioni nell’altra direzione, l’interfaccia viene munita di un codificatore (encoder) che traduce le informazioni raccolte dal dispositivo nella sua interazione col mondo esterno (segnali sensoriali) in messaggi che abbiano un linguaggio comprensibile al cervello, usando, per esempio, impulsi elettrici.

L’Italia si colloca bene all’interno del variegato panorama internazionale. Per ciò che concerne le neuroprotesi, cioè dispositivi che vengono collegati al sistema nervoso periferico, cioè a quell’insieme di nervi che partono dal sistema nervoso centrale e si diramano in tutto il corpo, Silvestro Micera, professore presso la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa e direttore del Translational Neural Engineering Laboratory alla École Polytechnique Fédérale – EPFL di Losanna, ha costruito e impiantato una neuroprotesi di mano in un paziente amputato che risulta controllata in modo bidirezionale, motorio e sensoriale, mediante appositi elettrodi messi in contatto con le fibre nervose. In pratica il segnale neuronale viene decodificato (v. sopra, decoder) e trasferito in modo efficiente all’arto meccanico. Inoltre, nel momento in cui vengono eseguiti i movimenti della mano, diversi protocolli di segnali sensoriali, in rapporto al contatto con materiale ruvido, liscio etc., organizzati secondo i due parametri fondamentali della forza e della frequenza, vengono codificati in stimoli elettrici per dare a questa protesi, e dunque all’individuo che percepisce, anche l’informazione sensoriale.

A Roma, presso l’IRCCS Santa Lucia sono state realizzate una serie di applicazioni della tecnologia BCI per il miglioramento della qualità della vita di pazienti affetti da gravi disabilità motorie, per il comando di dispositivi elettronici in una stanza domotica mediante la modulazione dell’attività cerebrale. Ad esempio, un’applicazione che consente all’utente di poter portare la sua presenza in altre parti della casa mediante lo spostamento di un piccolo robot munito di videocamera. Tutto ciò per evitare l’utilizzo di telecamere in ogni stanza che sarebbero contrarie alla privacy degli altri familiari. Sono molti i centri presenti su tutto il territorio italiano che si occupano di tecnologia BCI e di assistive technology. Posso ricordare, oltre a quelli già citati, la Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia, il Dipartimento di Ingegneria informatica automatica e gestionale – DIAG dell’Università Sapienza di Roma; il Dipartimento IIEIT dell’Università di Pisa, il Consorzio Pisa Ricerche; a Bologna, il centro Bologna per gli aiuti tecnologici; il CNR-IFAC di Sesto Fiorentino, il Politecnico di Bari. A Siena è stata messa a punto una BCI per persone con sindrome locked-in che utilizza il motor imagery.

La tecnologia del BCI vive attualmente una fase entusiasmante di transizione da dimostrazioni episodiche a un tipo di ricerca sistematica, multidisciplinare, traslazionale e orientata allo sviluppo commerciale. Nell’ultimo decennio la ricerca scientifica ha generato un insieme di potenti strumenti di misura ed analisi dell’attività cerebrale sia non-invasivi che invasivi. Tra i sistemi non-invasivi, l’Elettroencefalografia ad alta risoluzione spaziale (HREEG) è un dispositivo di imaging dell’attività cerebrale “in vivo” che ha permesso di misurare e riconoscere i “segni” dell’attività cerebrale relativa a variazioni di memorizzazione, attenzione ed emozione, in compiti sperimentali sempre più simili alle condizioni della vita reale di tutti i giorni. Con tecniche di HREEG si è osservato che l’immaginazione di atti motori nell’uomo avviene nelle stesse sedi cerebrali deputate al controllo del reale movimento degli arti. E’ questa l’importante evidenza sperimentale alla base della tecnologia “Brain Computer Interface” (BCI), che aspira a controllare dispositivi elettronici con la modulazione della sola attività cerebrale.

Come ho già detto in precedenza i sistemi BCI sono principalmente studiati per il miglioramento della qualità della vita di pazienti affetti da gravi disabilità motorie, restituendo parzialmente una qualche autonomia e indipendenza di movimento. Il passo che si sta facendo attualmente è di rendere disponibile tale modalità di interazione con i dispositivi elettronici anche alle persone sane, per finalità consumistiche. Le possibili applicazioni vanno dalla possibilità di impiegare tali comandi in videogame, oppure di mandare segnali “privati” presso altri utenti con cui, nel prossimo futuro, saremo in costante collegamento telematico, al comando immediato delle apparecchiature intorno a noi, come per esempio delle protesi per mani o gambe. Pochi sensori vengono apposti sul cuoio capelluto mentre l’unità di calcolo sta diventando via via non più grande di un orologio e dunque facilmente indossabile. Ci sono vari esempi di soluzioni commerciali basate su BCI vendute a prezzi compresi tra alcune decine e le migliaia di euro in base alla tipologia. Si tratta di dispositivi per l’intrattenimento ludico, per la cura della salute e per il training sportivo o professionale. Alcune aziende puntano al mercato dei controller per i videogiochi per PC: per esempio forniscono interfacce BCI che interpretano sia i movimenti muscolari che i segnali elettrici corticali attraverso fasce o caschetti da indossare sul capo e dotate di appositi elettrodi. Una, in particolare, fornisce con il controller un set di giochi classici da computer come Ping Pong e Tetris in versione “cerebrale”. Altre aziende propongono controller di gioco per smartphone o tablet.

Un altro importante campo di applicazione è rappresentato dal cosiddetto cognitive training”. Nei soli Stati Uniti il mercato del cognitive training è passato dai 2milioni di dollari del 2005 agli 80 milioni del 2009, e molta attenzione è suscitata dal neurofeedback, tecnica volta ad allenare al controllo delle proprie onde cerebrali attraverso la visualizzazione grafica delle stesse. Questo procedimento è utilizzato sia in campo medico, come terapia per disturbi come l’ADD (Attention Deficit Disorder), che in campo professionale, per migliorare la capacità di concentrazione, attenzione e apprendimento dei soggetti nel lavoro, nello studio e nello sport. Alcune squadre di calcio svolgono allenamenti basati sul neurofeeback.

Le scienze economiche stanno guardando alle neuroscienze per riuscire a capire e prevedere il meccanismo umano alla base degli acquisti. Dal connubio di queste due scienze nasce l’applicazione al marketing, il neuromarketing, che si propone di studiare i motivi che portano un acquirente a scegliere un prodotto o servizio in vendita. Gran parte dell’attenzione è oggi orientata all’analisi della pubblicità, notoriamente uno degli stimoli all’acquisto più efficaci. Il marketing tradizionale valuta le reazioni delle persone agli stimoli pubblicitari con tecniche indirette (osservazione, interviste, questionari). Il neuromarketing invece, indaga la risposta fisiologica diretta causata dallo stimolo pubblicitario (risposta elettrica del cervello) e da questa inferisce le implicazioni cognitive (livelli di attenzione, memorizzazione e piacevolezza). Il neuromarketing non valuta i comportamenti ma come gli stimoli pubblicitari “lasciano il segno” nel cervello delle persone.

Si individuano nel mercato due approcci basati su misure EEG corticali: l’approccio scientifico, che parte dalle evidenze delle neuroscienze per inferire l’efficacia di uno stimolo pubblicitario misurando in tutte le aree cerebrali l’attività elettrica corticale con EEG ad alta densità (>60 elettrodi). E l’approccio euristico, che ha il suo punto di forza nell’impiego di dispositivi EEG con un numero di elettrodi ridotto (anche solo un elettrodo posizionato centralmente sul capo o due sui lobi frontali) con i quali si misurano i parametri di interesse per il neuromarketing. I dispositivi semplificati favoriscono la portatilità diminuendo discomfort e tempi di preparazione, con l’obiettivo di rendere la fase di test il più possibile equivalente all’esperienza reale del soggetto. Tuttavia oggi non è possibile confrontare i risultati ottenuti con quelli tratti dalla letteratura scientifica. Il neuromarketing risulta estremamente adatto a supportare la comunicazione pubblicitaria durante la creazione degli spot, permettendo di accrescere la capacità di stimolare attenzione, memorizzazione, posizionando lo spot in modo coerente al marchio. Oggi la maggior parte delle aziende di neuromarketing sono localizzate negli Stati Uniti e sono state fondate negli ultimi cinque anni. Molte di queste impiegano dispositivi per le misure neurofisiologiche (EEG e sensori) sviluppate in proprio, mentre altre adottano soluzioni tecnologiche di terze parti.

La comunità europea (EU) nel corso del quadriennio 2007-2011 ha investito non meno di 30 milioni di euro per progetti legati all’impiego di sistemi BCI per il controllo di videogiochi, ambienti domotici, protesi meccatroniche per gambe e braccia. Esistono inoltre linee di finanziamento EU per progetti che impiegano la valutazione istantanea dello stato emotivo e cognitivo del passeggero durante i voli transoceanici, per poter regolare in maniera ottimale l’erogazione dei servizi da parte del sistema di bordo.

Un altro settore di interesse da parte della EU e di governi di diversi paesi extraeuropei riguarda la possibilità di monitorare gli stati di stanchezza psichica e mentale di guidatori di veicoli pubblici, quali autobus, treni, aerei, mediante il prelievo dell’attività EEG. Ultimamente negli USA si sta sviluppando una linea di ricerca nel campo della cosiddetta “telepatia sintetica”, in cui viene studiata la modalità di trasmissione di singoli bit di informazione fra due soggetti mediante la modulazione dell’attività cerebrale; una sorta cioè di BCI fra due persone. Un’installazione sperimentale di questa “telepatia sintetica” presso i laboratori della Fondazione Santa Lucia di Roma, in cui vengono mostrati due soggetti che si scambiano informazioni a distanza (relativamente alla posizione del cursore elettronico) con la modulazione della propria attività mentale. Sebbene in questo momento la velocità di trasmissione fra i due soggetti è limitata a pochi bit al minuto, la “proof-of-concept” di tali dispositivi è stata comunque dimostrata.

Per ciò che concerne la ricerca clinica/traslazionale e la ricerca di base scientifica, l’utilizzo di segnali cerebrali elettrocorticografici (EcoG) costituisce attualmente un’altra straordinaria possibilità di registrare segnali cerebrali (alternativa all’Elettroencefalografia – EEG da scalpo) e di sviluppare un’altra pressoché infinita serie di applicazioni. Oscillazioni EEG ad alta frequenza (banda gamma) (70-300 Hz) sono generate da popolazioni di neuroni impegnate in un medesimo compito funzionale. Registrazioni ECoG sono state utilizzate per studiare le dinamiche evento-correlate delle oscillazioni cerebrali in una serie di sistemi neuroanatomico-funzionali, compresi il sistema somatosensoriale e somatomotorio, il sistema percettivo visivo e uditivo, e le reti corticali responsabili del linguaggio. Il vantaggio per i neuroscienziati che lavorano con ECoG consiste nel fatto che persone affette da particolari patologie, ad esempio l’epilessia farmacoresistente (che non risponde ai trattamenti farmacologici), o pazienti affetti da tumori cerebrali, sono operati dal neurochirurgo per finalità terapeutiche. In tale occasione è spesso necessario procedere all’impianto momentaneo di grid ECoG subdurali (grid o strip multicontatto poggiati sulla superficie corticale o elettrodi intraparenchimali inseriti in condizioni stereotassiche e stereoscopiche, per eseguire una serie di test necessari al chirurgo per operare in sicurezza). Questa speciale condizione offre ai ricercatori l’opportunità di utilizzare elettrodi invasivi negli esseri umani, consentendo di abbinare, caso più unico che raro, l’atto assistenziale allo studio del funzionamento del cervello umano in vivo.

Il rapido affermarsi della elettrocorticografia (ECoG) deriva dunque dalla possibilità di eseguire studi neurofisiologici sugli esseri umani. Infatti, particolarità distintive dell’essere umano come i processi della parola e del linguaggio non possono essere studiati in alcun modello animale e richiedono l’utilizzo di elettrodi invasivi come unica condizione per poter giungere a nuove scoperte e a nuovi campi applicativi. Altri studi dimostrano che questi dati possono essere utilizzati per stabilire un controllo BCI uni- o bidimensionale con un piccolo training. E, come abbiamo visto, l’implementazione di questo tipo di metodica può essere di grande aiuto alle persone affette da gravi disturbi neuromuscolari, come le lesioni alte del midollo spinale, la paralisi cerebrale, la Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA), la sindrome locked-in ecc.

I progressi delle tecnologie di interfaccia neurale si collegano allo sviluppo di nuovi approcci di studio al cervello, sia di tipo clinico che sperimentale. Molto interessante è il recente sviluppo di sistemi BCI “ricorrenti” (R-BCI), in cui l’attività neurale è registrata ed elaborata in tempo reale per controllare la stimolazione elettrica di altre aree particolari del cervello o di muscoli, mediante l’impianto in cronico di microelettrodi e neurochip. Ciò permette di reincorporare, mediante connessioni artificiali, normali funzioni che risultano perdute o mancanti. Questo paradigma del BCI ricorrente e autonomo apre la strada a nuove applicazioni, sia cliniche (neurologiche e psichiatriche), sia sperimentali, che nei prossimi 3-5 anni incrementeranno in modo significativo la selettività, sensibilità, precisione e affidabilità delle procedure di registrazione e stimolazione, nonché la durata del funzionamento dei microelettrodi e delle sonde neurali utilizzate. Sarà anche perfezionato il raccordo con altre metodiche clinico-sperimentali, quali ad es. il rilascio di sostanze farmacologiche in determinati distretti cerebrali, l’imaging ottico e le manipolazioni genetiche.

Studi recenti sugli umani mostrano la possibilità di eseguire un mappaggio funzionale EcoG in tempo reale, fornendo con ciò un’alternativa al mappaggio mediante stimolazione elettrica standard nei casi chirurgici che richiedono una valutazione funzionale. Infatti, la possibilità di identificare le aree del cervello umano che sono di focale importanza per il linguaggio, per la sensibilità, per il movimento e la memoria è il requisito essenziale per l’esecuzione di interventi neurochirurgici sicuri, sia che si tratti ad esempio dell’asportazione di un tumore, sia che si tratti della rimozione di una porzione di tessuto cerebrale, come avviene tipicamente nel caso della chirurgia dell’epilessia. L’individuazione di queste aree “funzionalmente critiche” del cervello permette al neurochirurgo di preservarle durante l’intervento chirurgico di resezione, soprattutto nei caso di interventi delicati in cui la zona corticale da rimuovere risulti essere particolarmente vicina o sovrapposta ad esse.

L’asportazione di tessuto cerebrale patologico durante le procedure neurochirurgiche assistenziali permette il raccordo con: a) lo sviluppo di una ricerca di base (biologia molecolare, anatomo-patologia, farmacologia, genetica) che mediante l’analisi dei tessuti e delle alterazioni riscontrate permetta l’ulteriore comprensione dei meccanismi elettrofisiopatologici; b) la sinergia con l’industria farmaceutica per lo sviluppo di nuove molecole programmate su modelli reali. Ancora, è stato recentemente dimostrato che l’attività ad alta frequenza identificata con EcoG si localizza con ed è alla base del segnale BOLD della fMRI. Nel caso in cui questa osservazione fosse comprovata, l’ECoG si affermerebbe come uno strumento essenziale nella valutazione preoperatoria delle procedure neurochirurgiche, così da evitare conseguenze potenzialmente deleterie per il paziente. Rappresenterebbe inoltre la prima effettiva tecnica di mappatura della funzione cerebrale capace di misurare direttamente le attività delle popolazioni di cellule cerebrali e non le conseguenze indirette prodotte dalla loro attivazione (stima indiretta).

In sintesi, le ricadute per ciò che concerne lo sviluppo di tecnologie di BCI appaiono considerevoli, sia sul piano tecnologico che socioeconomico: a) l’espansione di attività di ricerca sia clinica, sia elettrofisiologica, sia neuroradiologica sia biotecnologica di elevato livello scientifico e ad alta trasferibilità (ricerca traslazionale); b) l’implementazione di nuove tecnologie finalizzate a una fondamentale crescita di autonomia delle persone affette da gravi inabilità fisiche,  e alla realizzazione di generi di consumo per gli individui sani; c) lo sviluppo e l’affinamento di sistemi BCI ricorrenti per la reincorporazione di  funzioni cerebrali perdute o mancanti; d) l’affinamento e la maggior sicurezza delle procedure neurochirurgiche.

La corsa alla realizzazione di dispositivi tecnologici per il grande pubblico è stata persa dall’Italia alla fine degli anni 80. La produzione e l’ideazione di tali dispositivi (computer, tablet, cellulari, navigatori ecc.) sono infatti ormai saldamente localizzate in USA e nei paesi asiatici. L’Italia può vincere un’altra corsa, potenzialmente altrettanto importante quanto la prima: la misura e l’interpretazione degli stati cognitivi ed emozionali degli utenti dei dispositivi del futuro è il punto nodale per provvedere una nuova classe di servizi. Chi misurerà e interpreterà correttamente gli stati cognitivi ed emozionali degli utenti di tali dispositivi avrà la possibilità di generare sistemi sempre più intelligenti e potenzialmente sempre più utili. Infatti, qualunque dispositivo elettronico prodotto per essere efficiente dovrà tener conto e interfacciarsi con lo stato cognitivo ed emozionale dell’essere umano.

La struttura del cervello e i meccanismi che ne governano il funzionamento sono il settore nel quale la nostra ricerca ha prodotto i risultati più brillanti. Due dei sei premi Nobel per la medicina vinti da italiani sono stati conferiti a neuroscienziati. E di recente, la scoperta dei neuroni specchio ha reso i neuroscienziati italiani del gruppo di Rizzolatti dell’Università di Parma noti in tutto il mondo. La grandissima espansione della ricerca nell’area neuroscientifica e neurotecnologica si è potuta realizzare grazie alla disponibilità di metodiche, tecnologie e strumenti di analisi derivati principalmente dalla fisica e dalla biologia, e mediante un approccio integrato, basato sull’eliminazione delle barriere tra discipline diverse.

L’integrazione delle conoscenze e l’attiva collaborazione in particolare tra medici e bioingegneri, fisici, neuropsicologi risulta ancora difficile nell’attuale panorama italiano, soprattutto fra le discipline mediche e quelle bioingegneristiche. E’ essenziale favorire l’attiva e costante collaborazione tra figure e competenze professionali diverse già durante la formazione accademica magistrale per poter raggiungere i traguardi più ambiziosi nel campo della ricerca neurotecnologica applicata.

Dott. Giulio Nicolò Meldolesi

Presidente della Fondazione Neurone Onlus per lo studio e la ricerca in neuro-psico-biologia e neuroscienze cliniche di Roma