Protesi cerebrali impiantabili: creato un “topo Cyborg”
Per chi non sa nulla di macchine collegate direttamente o indirettamente al cervello umano, un breve ripasso iniziale prima della notizia. Ci sono oggi tre classi di “protesi cerebrali” (brain prosthesis):
- sensoriali: sostituiscono od integrano il funzionamento di uno o piu’ sensi umani (ad esempio, gli impianti cocleari che sostituiscono la funzione dell’udito umano, le retine artificiali per la vista, ecc.)
- motorie: sistemi artificiali per attivare gli arti umani o per rimpiazzarli completamente, ad esempio, stimolazione elettrica funzionale (FES), stimolatori neuromuscolari iniettabili, arti robotici, mappatura dell’attivita’ cerebrale premotoria su sistemi robotici,…
- cognitive: protesi neurali che mirano a sostituire/integrare il funzionamento del cervello in attivita’ cognitive quali la memorizzazione di informazioni od il recupero di ricordi o altre funzioni della memoria umana.
Le protesi cognitive impiantabili sono quelle su cui al momento si sa di meno, ma la scorsa settimana ero al congresso ACM su Intelligent User Interfaces (dove la comunita’ dell’Interazione Uomo-Macchina si incontra con quella dell’Intelligenza artificiale) ed uno dei relatori invitati era il prof. Theodore W. Berger (v. foto a sinistra), uno dei massimi specialisti di integrazione uomo-macchina (non e’ un refuso: e’ proprio integrazione, non interazione) o, come e’ stato presentato alla conferenza, “specialista nell’integrazione fra hardware e wetware”.
Il titolo della relazione invitata era: “Implantable Biomimetic Electronics as Neural Prostheses for Lost Memory Function” (Elettronica Biomimetica Impiantabile come Protesi Neurale per la Perdita di Funzione della Memoria).
Presso la University of Southern California, il prof. Berger guida infatti il centro di Ingegneria Neurale, un team di piu’ di 20 persone, finanziato sia dalla Marina che dall'Esercito statunitense, che lavora alla costruzione di protesi dell’ippocampo (v. foto al termine del post), una parte del cervello importante per le funzioni della memoria umana. Una delle cose che si sanno dell’ippocampo e’ che converte elementi della memoria a breve termine in elementi della memoria a lungo termine: se viene danneggiato, non si riescono a formare nuove memorie, solo ad accedere a quelle che avevamo gia’ registrate prima del danno (se volete "provare" l’esperienza di non essere piu’ capaci di memorizzare informazioni, vi consiglio di vedervi il geniale film Memento di Christopher Nolan).
L’obbiettivo del gruppo di ricerca di Berger e’ quello di sostituire una parte (una “slice”, come dice lui) dell’ippocampo con un chip VLSI biomimetico. Al momento, stanno sperimentando le loro idee su topi e scimmie (anche se dice di aver ricevuto via Internet delle disponibilità di volontari umani, che per ora non vengono considerati) ed hanno gia' creato le prime creature cyborg.
La presentazione non era proprio semplice, in quanto basata su di un mix di nozioni informatiche, matematiche, neurologiche ed elettroniche. Ma niente paura, ne riassumo il succo in modo divulgativo nel seguito (citando anche alcuni termini tecnici per i lettori che volessero addentrarsi nella tematica).
Il primo passo che il gruppo di Berger ha dovuto affrontare e’ stato quello di capire come si comporta l’ippocampo dell'animale di fronte a diversi tipi di stimoli al fine di stabilire che funzioni replicare con i loro sistemi artificiali. Nei neuroni, l’output e’ una funzione della storia passata degli input: questo meccanismo e’ alla base delle attivita’ di codifica informazioni eseguite dal cervello. Hanno quindi studiato, per ogni pattern di input concepibile, le risposte dell'ippocampo del ratto in termini di potenziali misurati in alcune regioni del cervello (CA1, CA3, dentate), al fine di sviluppare un modello predittivo dell’output ippocampale da programmare nel chip che deve andare a sostituirlo.
Il secondo passo e' stato quello di modellare il comportamento dell’ippocampo del ratto con un modello matematico di tipo Volterra functional power series (un modello dinamico, dipendente dalla storia e non lineare). Dopodichè si sono preoccupati di programmarlo all’interno di un circuito (usando un sistema di sviluppo FPGA commerciale).
Il successivo problema e’ stato quello del collegamento al cervello: interfacciare il modello biomimetico con il cervello, tenendo presente l’anatomia e la citoarchitettura ippocampale: in particolare, il chip era quadrato con i contatti sul perimetro, ma la zona del cervello dove andava piazzato aveva tutt’altra forma (in altre parole, il chip "non ci stava"). Sono stati quindi costruiti degli array di elettrodi per la comunicazione "neuron-silicon" su una struttura che si conformasse alla citoarchitettura.
A quel punto, hanno disabilitato un pezzo di ippocampo (in particolare, hanno sostituito il funzionamento della regione CA3 con il chip) ed hanno misurato le dinamiche trisinaptiche dell'ippocampo prima e dopo l’intervento, notando differenze veramente minime fra lo stato naturale e quello artificiale.
Oltre alle misure cerebrali, sono anche stati eseguiti studi del comportamento del topo "cyborg" nel mondo: ad esempio, proponendo all'animale dei modi per ricevere il cibo o l’acqua che richiedevano di memorizzare comportamenti specifici di pressione di bottoni ed osservando che il topo “cyborg” e’ effettivamente capace di memorizzarle usando l’impianto ippocampale artificiale.
A quel punto, l’attivita’ sperimentale si e’ spostata sul provare a caricare diverse versioni del software dentro il topo "cyborg" e confrontare i comportamenti degli animali caricati con le diverse versioni per vedere quale versioni migliorano la capacita’ dell’animale di memorizzare la propria esperienza: ne “fortificano la memoria”, per usare le parole del relatore.
Questo e’ lo stato attuale che Berger presenta delle sue ricerche. Ma e’ gia’ sufficiente per porre alcuni problemi etici: basti dire che programmando opportunamente una protesi ippocampale si potrebbe determinare cosa un essere vivente ricorda e che cosa invece non e’ capace di memorizzare e quindi non ci ricorderemo mai di aver visto, udito o provato.
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