Immaginate di poter muovere la mano o percepire il tatto con un dispositivo protesico controllato dal vostro stesso pensiero. Potrebbe sembrare fantascienza, ma grazie ai progressi della neuroprotesi sta diventando realtà. In questo articolo esploreremo la scienza, la storia e il funzionamento delle neuroprotesi, nonché le loro varie applicazioni per migliorare le capacità umane.

Comprendere le neuroprotesi

Le neuroprotesi sono dispositivi che interagiscono con il sistema nervoso per sostituire o aumentare le funzioni sensoriali, motorie o cognitive perse o compromesse. Funzionano rilevando ed elaborando i segnali neurali e modulando le risposte biologiche esistenti o generandone di artificiali.

La scienza dietro le neuroprotesi

Le neuroprotesi si basano sui principi della neuroplasticità, la capacità del cervello di rimodellare i propri circuiti neurali in risposta agli input sensoriali e motori. Sfruttando questa plasticità, i dispositivi neuroprotesici possono stabilire una comunicazione bidirezionale tra il cervello e le macchine esterne.

Essenzialmente, i dispositivi neuroprotesici sono costituiti da tre componenti principali: i sensori che rilevano i segnali neurali, gli algoritmi di elaborazione del segnale che li interpretano e gli attuatori che forniscono l'output desiderato, come movimenti o sensazioni.

Componenti chiave dei dispositivi neuroprotesici

I sensori utilizzati nelle neuroprotesi possono essere impiantati all'interno del cervello o collocati sulla superficie del cranio. In genere si basano su elettrodi che misurano gli impulsi elettrici generati dai neuroni in risposta agli stimoli. Gli elettrodi possono essere realizzati in diversi materiali, come metallo, silicio o polimeri flessibili, a seconda dell'uso previsto e della durata.

L'elaborazione del segnale è un altro aspetto cruciale dei dispositivi neuroprotesici. Si tratta di analizzare i dati neurali grezzi raccolti dai sensori ed estrarre da essi caratteristiche significative, come la direzione e l'ampiezza di un movimento dell'arto o il tipo e l'intensità di una sensazione tattile. Questo compito è impegnativo a causa della variabilità e della complessità intrinseca dei segnali neurali, nonché della coesistenza di molteplici fonti di rumore.

Gli attuatori utilizzati nelle neuroprotesi possono essere di varie forme, a seconda del tipo di funzione da ripristinare o migliorare. Ad esempio, nelle neuroprotesi motorie, gli attuatori possono essere motori o servocomandi che muovono in modo coordinato arti artificiali o protesi. Nelle neuroprotesi sensoriali, gli attuatori possono essere elettrodi che stimolano i nervi o le regioni cerebrali responsabili della generazione di sensazioni tattili, visive o uditive.

Tipi di neuroprotesi: Motoria, sensoriale e cognitiva

Le neuroprotesi possono essere ampiamente suddivise in tre categorie in base alla loro funzione prevista: motoria, sensoriale e cognitiva. Le neuroprotesi motorie mirano a ripristinare o sostituire il controllo motorio perduto, come i movimenti degli arti o il linguaggio. Le neuroprotesi sensoriali mirano a migliorare o sostituire la percezione sensoriale, come il tatto, la vista o l'udito. Le neuroprotesi cognitive mirano ad aumentare o ripristinare le funzioni cognitive, come la memoria o l'attenzione.

La storia delle neuroprotesi

L'idea di utilizzare la tecnologia per sostituire o aumentare le funzioni umane esiste da secoli, ma solo nel XX secolo sono stati compiuti progressi significativi nella ricerca neuroprotesica. Nel corso degli anni, molti pionieri e istituzioni hanno contribuito allo sviluppo delle neuroprotesi, dai primi esperimenti con semplici dispositivi meccanici alle ultime scoperte sulle interfacce cervello-computer.

Primi sviluppi e pionieri

Uno dei primi esempi di arto protesico fu la mano di ferro progettata dal chirurgo italiano Ambroise Paré nel XVI secolo. Questa mano poteva essere mossa dai muscoli della spalla e del gomito di chi la indossava ed era controllata da un complesso sistema di fili e pulegge.

Alla fine del 1800, il chirurgo ortopedico americano Dr. Vanghetti sviluppò un braccio protesico che poteva essere azionato dal suono della voce del paziente. Questo braccio utilizzava una serie di soffietti e valvole per dirigere il flusso di aria compressa nella mano, permettendo alle dita di chiudersi o aprirsi.

Tra i primi pionieri della ricerca neuroprotesica vi sono il fisiologo russo Ivan Pavlov, che scoprì il concetto di riflessi condizionati, e il neurochirurgo francese Wilder Penfield, che mappò le funzioni del cervello umano utilizzando la stimolazione elettrica.

Pietre miliari della ricerca neuroprotesica

Una delle pietre miliari più significative della ricerca neuroprotesica si è verificata negli anni '70, quando è stato sviluppato il primo impianto cocleare. Questo impianto utilizzava elettrodi inseriti nell'orecchio interno per stimolare direttamente le fibre del nervo acustico, bypassando le cellule ciliate danneggiate. Da allora, gli impianti cocleari hanno aiutato migliaia di persone con problemi di udito a riacquistare la capacità di sentire le parole e la musica.

Negli anni '80 e '90, i ricercatori hanno fatto progressi nello sviluppo di neuroprotesi motorie in grado di sostituire la funzione dell'arto perduto. Uno degli esempi più significativi è stato il braccio Utah, una protesi che utilizzava microelettrodi multipli impiantati nei nervi periferici dell'arto residuo per controllare i movimenti della mano e delle dita.

Più recentemente, i ricercatori si sono concentrati sullo sviluppo di interfacce cervello-computer (BCI) in grado di tradurre le intenzioni dell'utente direttamente in azioni. Le BCI si basano su metodi invasivi o non invasivi di registrazione dell'attività neurale, come l'elettrocorticografia (ECoG) o la risonanza magnetica funzionale (fMRI), e utilizzano algoritmi sofisticati per decodificare i segnali neurali e produrre output significativi, come i movimenti del cursore o il parlato.

Progressi e scoperte moderne

Le neuroprotesi stanno progredendo rapidamente e vengono fatte sempre nuove scoperte. Per esempio, alcuni ricercatori stanno esplorando l'uso dell'optogenetica per controllare l'attività neurale in specifiche regioni del cervello con proteine sensibili alla luce. Altri stanno sviluppando dispositivi impiantabili in grado di sfruttare l'energia del corpo per alimentarsi, riducendo la necessità di batterie o fili esterni.

Una delle aree più promettenti della ricerca neuroprotesica è lo sviluppo di protesi sensoriali in grado di ripristinare o migliorare la percezione umana oltre i limiti naturali. Ad esempio, i ricercatori hanno sviluppato una protesi retinica in grado di bypassare le cellule fotorecettrici danneggiate dell'occhio e di stimolare le cellule rimanenti per produrre una visione artificiale. Analogamente, le neuroprotesi tattili possono fornire sensazioni precise e controllabili alle aree della pelle che hanno perso la loro normale sensibilità, ad esempio dopo un'amputazione o una lesione del midollo spinale.

Come funzionano le neuroprotesi

Le neuroprotesi funzionano stabilendo una comunicazione bidirezionale tra il cervello e il dispositivo protesico. Questa connessione si basa su un flusso bidirezionale di informazioni che inizia con il rilevamento dei segnali neurali e termina con la consegna dell'output desiderato.

L'interfaccia cervello-computer (BCI)

Le BCI sono il metodo più comune per stabilire una connessione neurale con un dispositivo neuroprotesico. Le BCI utilizzano in genere metodi invasivi o non invasivi per registrare l'attività neurale del cervello, come l'elettroencefalogramma (EEG) o i microelettrodi intracorticali, e convertono i segnali in comandi di controllo per il dispositivo protesico.

Le BCI possono essere classificate in due tipi principali: ad anello aperto e ad anello chiuso. Le BCI ad anello aperto si basano sullo sforzo cosciente dell'utente per generare modelli neurali specifici che corrispondono all'azione desiderata, come immaginare di muovere un arto o selezionare un'opzione di menu. Le BCI ad anello chiuso utilizzano il feedback del dispositivo protesico per regolare l'attività neurale e ottimizzare le prestazioni nel tempo.

Elaborazione e decodifica del segnale

L'elaborazione del segnale è una fase cruciale nelle applicazioni neuroprotesiche, poiché trasforma i dati neurali grezzi in schemi interpretabili che possono essere utilizzati per controllare il dispositivo protesico. Gli algoritmi di elaborazione del segnale possono essere suddivisi in due tipi: offline e online. Gli algoritmi offline sono utilizzati per addestrare i modelli di decodifica prima del funzionamento in tempo reale, mentre gli algoritmi online adattano il decodificatore ai modelli neurali mutevoli dell'utente durante l'uso effettivo.

Gli algoritmi di decodifica del segnale possono basarsi su modelli lineari o non lineari. I modelli lineari presuppongono una relazione lineare tra i segnali neurali e il movimento o l'output sensoriale, mentre i modelli non lineari possono tenere conto di interazioni più complesse tra i segnali neurali e l'output del dispositivo. I modelli non lineari possono anche migliorare le prestazioni del decodificatore in caso di non stazionarietà dei segnali neurali o di deriva delle registrazioni degli elettrodi.

Meccanismi di stimolazione e feedback

La fase finale della neuroprotesi è la consegna all'utente dell'output desiderato, sotto forma di movimenti motori o percezioni sensoriali. Gli attuatori utilizzati nelle neuroprotesi possono essere impiantati o esterni, a seconda dell'uso previsto e della posizione.

Gli attuatori interni, come elettrodi o stimolatori, possono fornire una stimolazione o un feedback più preciso e controllato. Gli attuatori esterni, come motori o display, possono offrire maggiore portabilità e flessibilità d'uso.

Applicazioni delle neuroprotesi

Le neuroprotesi hanno molte applicazioni nel campo della medicina, della riabilitazione e del potenziamento. Alcune delle applicazioni più promettenti riguardano il ripristino della funzione motoria, il potenziamento della percezione sensoriale e il miglioramento delle capacità cognitive.

Ripristino della funzione motoria

Le neuroprotesi motorie possono aiutare le persone con varie disabilità motorie, come la perdita di un arto, una lesione del midollo spinale o un ictus, a riacquistare la capacità di muoversi e manipolare gli oggetti. Le neuroprotesi motorie possono anche aiutare a controllare arti protesici o esoscheletri, consentendo movimenti naturali e intuitivi.

Migliorare la percezione sensoriale

Le neuroprotesi sensoriali possono fornire sensazioni artificiali a persone che hanno perso o compromesso le loro funzioni sensoriali naturali, come l'udito, la vista o il tatto. Le neuroprotesi sensoriali possono anche consentire nuove forme di percezione sensoriale al di là dei limiti naturali, come la percezione a infrarossi o l'imaging uditivo.

Migliorare le capacità cognitive

Le neuroprotesi cognitive possono migliorare o ripristinare le funzioni cognitive compromesse a causa dell'invecchiamento, di malattie o di lesioni, come la memoria, l'attenzione o il processo decisionale. Le neuroprotesi cognitive possono anche facilitare l'apprendimento e la formazione di nuove abilità, come suonare strumenti musicali o guidare.

Conclusione

Le neuroprotesi sono un campo in rapida evoluzione che ha il potenziale di rivoluzionare il modo in cui interagiamo con la tecnologia e il nostro ambiente. Collegando la mente e la macchina, le neuroprotesi offrono nuove soluzioni a vecchi problemi e aprono nuovi orizzonti alle capacità umane.