Da cervello a cervello

BrainToBrainInterface

Due cervelli di ratti per la prima volta nella storia sono stati messi in comunicazione. Sebbene non possano comunicare con il linguaggio degli uomini, i ricercatori hanno ideato una connessione diretta tra i cervelli di coppie di roditori utilizzando una sofisticata rete di sensori, computer e connessione internet. Mentre un ratto risolveva un compito, veniva registrata l’attività cerebrale e spedita al cervello dell’altro ratto, il quale pur non essendo stato adddestrato ha risolto il medesimo compito grazie all’informazione corticale del partner ricevuta nel proprio cervello attraverso dei microelettrodi.

Il team di ricercatori che ha svolto questo esperimento è stato guidato dal professore Miguel Nicolelis (cliccaci sopra e fatti un giro nel suo bel sito), non nuovo a queste cyber sperimentazioni. Ad esempio qui puoi trovare una sua conferenza dove mostra come una scimmia possa controllare un robot con i suoi pensieri.

Il paradigma utilizzato da Nicolelis è il brain-to-brain interface (BTBI), l’interfaccia “cervello-cervello, che consente di utilizzare l’informazione del cervello (il pensiero, la percezione, l’attenzione) per controllare dei dispositivi esterni artificiali: il soggetto comunica l’intenzione motoria al mondo esterno senza l’interferenza del corpo. Insomma, concepisci ed esegui un movimento utilizzando il tuo pensiero e un device esterno. In questo video potete trovare un esempio recente di una donna paralizzata che utilizza il suo pensiero per controllare un braccio meccanico.

Nella ricerca del professore del Centro Medico della Duke University, il BTBI  è stato impiegato per trasferire in tempo reale informazione sensomotoria significativa tra cervelli di coppie di ratti, tra un encoder e un decoder.

Un ratto era il codificatore (encoder) che svolgeva un compito in cui doveva selezionare la scelta giusta tra due stimoli visivi o tattili. Mentre svolgeva il compito, pacchetti di informazione del suo cervello venivano trasmessi al ratto decodificatore (decodernelle aree corticali corrispettive attraverso delle microstimolazioni corticali (ICMS, intracortical microstimulation). Nell’esperimento, il ratto decodificatore svolgeva con successo lo stesso compito senza aver ricevuto un addestramento prelimiare e con la sola informazione ricevuta dal ratto appaiato (encoder). [vedi fig.1]

 

Brain to brain

Figura 1

La ricerca è stata articolata in 3 esperimenti. I primi due si distinguevano per il tipo di compito eseguito, uno motorio e uno tattile. Il terzo, più sorprendente, era differente a proposito della località e cioè un membro della coppia stava in Brasile e distava centiania di chilometri rispetto all’altro che si trovava negli Stati Uniti.

La procedura si è basata nel modo seguente: il ratto encoder (da qui in poi lo citerò solo col termine tecnico) è stato prima addestrato ad eseguire una selezione motoria (abbassando una leva riceve il premio) o una discriminazione tattile (infilare il muso nell’apertura giusta per ricevere un premio), mentre il ratto decoder è stato addestrato a ricevere i microimpulsi (ICMS) in modo tale da produrre la risposta giusta (ti stimolo la corteccia motoria e voglio che si muova l’arto superiore).

Dopo la fase di addestramento, a coppie sono stati sistemati in due box separati. Ogni qual volta appariva un puntino accesso in uno dei lati, l’encoder se abbassava la leva sottostante riceveva un premio. A questa azione corrispondeva una attività corticale “media” che veniva trasmessa nella corteccia motoria del decoder nel caso di una risposta motoria, nella corteccia somatica quando la risposta consisteva in una discriminazione tattile. Infine, altro step significativo, il ratto encoder riceveva un feedback ogni qual volta il decoder eseguiva una risposta giusta. Quindi l’encoder in totale riceveva un ulteriore rinforzo qualora il partner appaiato agiva correttamente.

In media, l’encoder ha mostrato una frequenza di risposte giuste del 95%, mentre il decoder si è assestato sulla media del 65%. La media del decoder secondo le statistiche è significativa, cioè non è dovuta al caso ma è connessa con l’attività corticale del partner trasferita e trasformata sotto forma di impulsi nella sua corteccia. Da notare che il decoder ha dato maggiori risposte corrette quando la leva da abbassare è stata quella sinistra. Inoltre, l’encoder non ricevendo un secondo premio quando il decoder sbagliava, eseguiva più rapidamente la risposta migliorando la correttezza e ricevendo il premio supplementare di feedback. Praticamente, il comportamento e la modulazione neuronale dell’encoder diventava dipendente dalla qualità prestazionale del suo partner appaiato, il ratto decoder.

Questo è uno dei passaggi che più mi interessano: nelle sessione di BTBI, i ricercatori hanno assistito a decisivi cambiamenti nel comportamento e nell’attività corticale corrispettiva in entrambi i ratti una volta che hanno cominciato a svolgere i compiti, lavorando come se facessero parte di una coppia interconnessa e integrata. L’uno inviava una mail che istruiva l’altro a come eseguire un compito, quasi contemporaneamente riceveva una mail di risposta che gli diceva “tutto ok, bravo!”, oppure “guarda che non è andato tutto bene, fai meglio!”. Aumentavano o diminuivano l’esecuzione del compito come se fossero entrambi uno a fianco all’altro e parlassero sotto voce, cioè senza farsi sentire se non grazie a segnali elettromagnetici e chimici dei loro cervelli intercorconnessi.

Infine, i ricercatori hanno pensato: se riusciamo ad estrarre informazioni dal cervello di un ratto e ad impaccatterali per trasmetterli in un altro posto (dentro il cranio del ratto decoder), cosa potremmo fare nel fratttempo con questo bagaglio? Potremmo spedirlo lontano! Infatti è proprio quello che hanno fatto… il pacchetto di dati cerebrali dell’encoder che si trovava in un laboratorio di Natal, Brasile, l’hanno spedito al ratto decoder che li ha ricevuti, sotto forma di microstimolazioni intracorticali, nel laboratorio della Duke University a Durham, USA. [vedi fig.2]

 

brain to brain usa brazil

Figura 2

L’attività neuronale registrata dalla corteccia somatica dell’encoder che eseguiva il compito di distriminazione tattile è stata spedita tramite connessione internet e, sotto forma di ICMS, applicata alla corteccia somatica corrispondente del ratto decoder che si trovava in un laboratorio distante centinaia di chilometri. Una “mail” di risposta tornava in Brasile qualora il decoder rispondeva correttamente e l’encoder riceveva il rinforzo supplementare. Anche in questo terzo esperimento i due partner, sebbene separati da una grande distanza, hanno esibito un comportamento complementare come una coppia ben integrata.

Ricerca affascinante. Gli ICSM, le microstimolazioni corticali, riflettevano il numero di potenziali di azione registrati nella corteccia somatica e motoria del ratto encoder e durante una singola sessione di test erano sufficienti per far svolgere due compiti differenti correttamente in modo significativo e in tempo reale ad un altro ratto appaiato, quantunque non avesse mai svolto alcun training preliminare o si trovasse distante migliaia di chilometri. Da notare che bastava la metà di impulsi quando il decoder svolgeva il compito tattile sensorio rispetto a quello motorio, suggerendo che le aree della corteccia primaria sensoria hanno una soglia di eccitazione più bassa per l’applicativo BTBI.

Per riepilogare, due sono i punti che mi hanno fatto pensare di più. Uno riguarda il feedback di ritorno alla fonte che dava un contributo sostanziale al mantenimento della relazione in una logica dinamica e non solo conservativa. Potremmo definirlo teoricamente come il passaggio da una cibernetica di primo grado ad una di secondo grado, cioè dal mantenimento dello stato omeostatico all’integrazione di informazione nuova che cambia il comportamento originario (feedback positivo). Se vuoi farti un’idea del concetto di cibernetica clicca qui.

Il secondo punto riguarda l’elemento più propriamente tecnico: trasformando il fenomeno che osservo (il comportamento) in un linguaggio essenziale, formale, facilmente manipolabile (attività corticale, cioè potenziali di azione), posso utilizzarlo al di fuori dei proprietari del messaggio e degli scopi originari. In questa ricerca si tratta di azioni molto semplici che richiedono attività corticali relativamente piccole. Stiamo parlando di cervelli di ratti. Ma i risultati sono promettenti per trasformare e stravolgere completamente tutto ciò che oggi appare psicologicamente ovvio. Attualmente si lavora su azioni e cervelli di roditori, domani potrebbe toccare ad attività corticali più complesse e più vicine alla nostra identità.

Se oggi la tecnologia brain to brain permette ad una donna paralizzata di far muovere col solo pensiero un braccio meccanico esterno, oppure migliora le prestazioni cognitive di una scimmia o come nella ricerca che ho illustrato trasforma il concetto stesso di apprendimento in una elaborazione digitale trasferibile attraverso lo spazio (e quindi anche oltre il tempo…), aspettiamoci novità nel settore riabilitativo, ad esempio nel trattamento del Parkinson o delle quadriplagie, nella psicologia del lavoro, nell’ambito educativo, perchè no, da quello artistico, politico e sociale sino a quello psicopatologico.

Pais-Vieira, M., Lebedev, M., Kunicki, C., Wang, J., & Nicolelis, M. (2013). A Brain-to-Brain Interface for Real-Time Sharing of Sensorimotor Information Scientific Reports, 3 DOI: 10.1038/srep01319

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