Cos’è un’in­ter­fac­cia neurale?

Le in­ter­fac­ce neurali con­sen­to­no una co­mu­ni­ca­zio­ne diretta tra il cervello e il computer. Fun­zio­na­no cat­tu­ran­do, in­ter­pre­tan­do e tra­sfor­man­do i segnali neurali in comandi com­pren­si­bi­li per computer o macchine.

Che cosa sono le in­ter­fac­ce neurali?

Un’in­ter­fac­cia neurale è un col­le­ga­men­to tra il cervello umano e un computer che consente una tra­smis­sio­ne diretta di in­for­ma­zio­ni tra l’essere umano e la macchina. La neu­ro­tec­no­lo­gia permette di stabilire questa con­nes­sio­ne senza l’at­ti­va­zio­ne del sistema nervoso pe­ri­fe­ri­co, cioè in modo in­di­pen­den­te da movimenti o lin­guag­gio.

Le in­ter­fac­ce neurali si basano sul principio che la semplice im­ma­gi­na­zio­ne di un’azione è suf­fi­cien­te a provocare un cam­bia­men­to mi­su­ra­bi­le nell’attività elettrica del cervello. Im­ma­gi­na­re, ad esempio, di muovere un dito provoca una reazione nella corteccia motoria, che pianifica e avvia movimenti volontari. At­tra­ver­so un processo di ad­de­stra­men­to, l’in­ter­fac­cia neurale apprende quali attività cerebrali cor­ri­spon­do­no a quali pensieri o comandi mentali. Ciò rende possibile uti­liz­za­re i segnali cerebrali letti come sistemi di input neu­ro­tec­no­lo­gi­ci. Tuttavia, lo sviluppo delle in­ter­fac­ce neurali comporta costi e tempi di rea­liz­za­zio­ne elevati, a causa delle numerose sfide tec­no­lo­gi­che.

Come funziona un’in­ter­fac­cia neurale?

Le in­ter­fac­ce neurali catturano e ana­liz­za­no l’attività cerebrale per tra­sfor­mar­la in comandi per il computer. La mi­su­ra­zio­ne dell’attività elettrica del cervello avviene tramite elettrodi. Suc­ces­si­va­men­te, algoritmi speciali elaborano i segnali rilevati per ri­co­no­sce­re schemi correlati a de­ter­mi­na­ti pensieri e im­ma­gi­na­zio­ni. In un passaggio suc­ces­si­vo, l’in­ter­fac­cia neurale traduce questi schemi in comandi com­pren­si­bi­li per le macchine. A causa della com­ples­si­tà dei dati, la ricerca in questo campo si serve delle tec­no­lo­gie di ap­pren­di­men­to au­to­ma­ti­co e dell’in­tel­li­gen­za ar­ti­fi­cia­le.

In­ter­fac­ce neurali invasive e non invasive

I processi cerebrali possono essere re­gi­stra­ti sia at­tra­ver­so in­ter­fac­ce neurali ap­pli­ca­bi­li ma­nual­men­te e ri­mo­vi­bi­li, sia tramite in­ter­fac­ce inserite chi­rur­gi­ca­men­te:

• Le in­ter­fac­ce neurali non invasive misurano l’attività elettrica del cervello tramite elet­troen­ce­fa­lo­gra­fia (EEG). In questo metodo, gli elettrodi posti sul cuoio capelluto misurano le va­ria­zio­ni di tensione sulla su­per­fi­cie della testa. So­li­ta­men­te, queste in­ter­fac­ce si pre­sen­ta­no sotto forma di una cuffia dotata di sensori. In al­ter­na­ti­va, è possibile re­gi­stra­re l’attività magnetica del cervello mediante ma­gne­toen­ce­fa­lo­gra­fia (MEG), la quale fornisce un’immagine tri­di­men­sio­na­le di diverse aree cerebrali.
• Le in­ter­fac­ce neurali invasive uti­liz­za­no elettrodi im­pian­ta­ti di­ret­ta­men­te nel cervello per misurare gli impulsi elettrici tramite EEG. Questo metodo di mo­ni­to­rag­gio offre la massima ri­so­lu­zio­ne del segnale, ma comporta (almeno fino a oggi) il rischio di com­pli­ca­zio­ni mediche come danni neurali. Esistono anche procedure semi-invasive in cui gli elettrodi vengono po­si­zio­na­ti sulla corteccia cerebrale e sono con­si­de­ra­te meno rischiose.

Qual è lo stato attuale dello sviluppo delle in­ter­fac­ce neurali?

Grazie agli sforzi di ricerca, la qualità dei segnali cerebrali rilevati sta mi­glio­ran­do co­stan­te­men­te. Ciò è par­ti­co­lar­men­te vero per i sistemi di in­ter­fac­ce neurali im­pian­ta­te, che pre­sen­ta­no una velocità di tra­smis­sio­ne elevata e sono oggetto di numerosi studi scien­ti­fi­ci. Le in­ter­fac­ce neurali non invasive offrono invece una pre­ci­sio­ne limitata, poiché il cranio filtra i segnali. Sebbene il primo sistema di in­ter­fac­cia neurale invasiva sia stato im­pian­ta­to in un essere umano nel 1998, anche dopo oltre 25 anni ci sono solo circa 50 persone al mondo con un impianto neurale, a causa della com­ples­si­tà e de­li­ca­tez­za della procedura.

Grazie agli attuali programmi di fi­nan­zia­men­to per la ricerca neu­ro­lo­gi­ca negli Stati Uniti (BRAIN Ini­tia­ti­ve) e in Europa (Human Brain Project), si prevede che nei prossimi anni le tec­no­lo­gie di in­ter­fac­ce cervello-computer faranno grandi progressi. I team di ricerca stanno at­tual­men­te lavorando, ad esempio, su in­ter­fac­ce bi­di­re­zio­na­li, in grado di tra­smet­te­re segnali dall’esterno al cervello. Inoltre, si stanno facendo continui progressi anche nella com­pren­sio­ne dell’attività cerebrale, grazie a moderni metodi di analisi come reti neurali, big data e deep learning, che per­met­to­no di elaborare grandi quantità di dati in modo ef­fi­cien­te.

Chi sta lavorando alle tec­no­lo­gie delle in­ter­fac­ce neurali?

At­tual­men­te sono numerose le isti­tu­zio­ni sia pubbliche che private, come uni­ver­si­tà e aziende, che lavorano allo sviluppo delle tec­no­lo­gie legate alle in­ter­fac­ce neurali. Nel 2020, i ri­cer­ca­to­ri e le ri­cer­ca­tri­ci dell’Uni­ver­si­tà di Zhejiang (Cina) hanno im­pian­ta­to un’in­ter­fac­cia neurale a un paziente pa­ra­ple­gi­co, con­sen­ten­do­gli di muovere bracci robotici e con­trol­la­re di­spo­si­ti­vi con il pensiero. A gennaio 2024, un team di ricerca del famoso Mas­sa­chu­setts Institute of Tech­no­lo­gy (MIT) ha pre­sen­ta­to un’in­ter­fac­cia neurale non invasiva che permette di con­trol­la­re Spot, il cane robotico di Boston Dynamics.

Per quanto riguarda l’impianto di in­ter­fac­ce neurali, at­tual­men­te gli Stati Uniti e la Cina sono i Paesi leader. In Italia, la ricerca si concentra prin­ci­pal­men­te su in­ter­fac­ce neurali non invasive, meno rischiose. Alcune delle realtà italiane più attive nel settore includono centri uni­ver­si­ta­ri e ospe­da­lie­ri di ec­cel­len­za, spe­cia­liz­za­ti nello sviluppo di tec­no­lo­gie bio­me­di­che avanzate, con col­la­bo­ra­zio­ni in­ter­na­zio­na­li e progetti fi­nan­zia­ti dall’Unione europea. A livello in­ter­na­zio­na­le, tra le aziende più note che operano in questo settore troviamo:

• Neuralink, che sviluppa in­ter­fac­ce neurali invasive. L’impianto neurale dell’azienda sta­tu­ni­ten­se dispone di oltre 1.000 elettrodi, collegati a fili sot­ti­lis­si­mi. Oltre a mi­glio­ra­re il trat­ta­men­to di gravi malattie cerebrali, l’impresa ha come obiettivo a lungo termine l’espan­sio­ne delle capacità mentali.
• Blackrock Neurotech, azienda bio­tec­no­lo­gi­ca sta­tu­ni­ten­se con sede nello Utah che opera nel settore delle in­ter­fac­ce neurali sin dal 2008. I di­spo­si­ti­vi di Blackrock sono tra gli impianti neurali più uti­liz­za­ti e vengono impiegati prin­ci­pal­men­te per aumentare l’in­di­pen­den­za delle persone con gravi paralisi.
• BrainGate, che ha pre­sen­ta­to nel 2004 il primo chip neurale im­pian­ta­bi­le pro­get­ta­to per l’essere umano, aprendo la strada a questo campo. Gli impianti più recenti sono co­sti­tui­ti da due o più unità fino a cento elettrodi per di­spo­si­ti­vo e vengono inseriti sopra la corteccia cerebrale.
• Synchron, che ha svi­lup­pa­to un’in­ter­fac­cia neurale mi­ni­ma­men­te invasiva, non im­pian­ta­ta di­ret­ta­men­te nel cervello, ma nei vasi sanguigni del cranio. L’impianto avviene tramite uno stent metallico di piccole di­men­sio­ni.

Aree di ap­pli­ca­zio­ne attuali e future delle in­ter­fac­ce neurali

Finora, l’ap­pli­ca­zio­ne prin­ci­pa­le delle in­ter­fac­ce neurali consiste nel supporto a persone con gravi li­mi­ta­zio­ni fisiche. Le in­ter­fac­ce neurali sono già uti­liz­za­te per aiutare persone con di­sa­bi­li­tà o malattie come la sindrome locked-in a mi­glio­ra­re la mobilità, la co­mu­ni­ca­zio­ne e l’in­di­pen­den­za. In campo medico, le in­ter­fac­ce neurali con­sen­to­no, ad esempio, di muovere un braccio robotico, co­mu­ni­ca­re tramite una macchina per la scrittura o con­trol­la­re di­spo­si­ti­vi con la forza del pensiero. Tuttavia, l’ap­pli­ca­zio­ne delle in­ter­fac­ce neurali in questo campo è ancora nella fase di prototipo. Nei settori dell’in­trat­te­ni­men­to e del benessere, invece, esistono già prodotti pronti per il mercato, come cuffie neurali non invasive che, uti­liz­zan­do sistemi di bio­feed­back, riducono lo stress.

In futuro, sono ipo­tiz­za­bi­li diversi scenari di ap­pli­ca­zio­ne. Le in­ter­fac­ce neurali po­treb­be­ro fa­ci­li­ta­re lo sviluppo di neu­ro­pro­te­si che per­met­to­no di percepire sen­sa­zio­ni o con­sen­to­no di col­le­gar­si a robot per svolgere compiti complessi. Le in­ter­fac­ce neurali bi­di­re­zio­na­li po­treb­be­ro aprire la strada alla co­mu­ni­ca­zio­ne diretta tra cervelli, al ca­ri­ca­men­to dei pensieri su server cloud e alla con­nes­sio­ne con internet. Tuttavia, l’adozione di queste tec­no­lo­gie dipenderà non solo dai progressi tecnici, ma anche dall’ac­cet­ta­zio­ne sociale.

In­ter­fac­ce neurali: quali sono i rischi e le op­por­tu­ni­tà?

Le in­ter­fac­ce neurali hanno il po­ten­zia­le di portare a sviluppi di­rom­pen­ti in vari settori della società. Questo vale non solo per le ap­pli­ca­zio­ni mediche, ma anche per l’ot­ti­miz­za­zio­ne del lavoro, della scuola e della vita quo­ti­dia­na e per ambiti come la realtà virtuale. Po­ten­zial­men­te, le in­ter­fac­ce neurali po­treb­be­ro con­sen­ti­re di attivare capacità mai svi­lup­pa­te, come l’ap­pren­di­men­to di una lingua tramite il download diretto nel cervello. Tuttavia, le sfide da af­fron­ta­re sono ancora numerose.

No­no­stan­te questi vantaggi, le in­ter­fac­ce neurali com­por­ta­no anche notevoli rischi. L’analisi dell’attività cerebrale consente infatti di accedere a dati privati estre­ma­men­te sensibili e si teme che le in­ter­fac­ce neurali po­treb­be­ro essere uti­liz­za­te per in­fluen­za­re i pensieri e i com­por­ta­men­ti delle persone. Inoltre, dato che queste in­ter­fac­ce non sono ancora tec­no­lo­gi­ca­men­te mature, possono essere soggette a errori, con po­ten­zia­li con­se­guen­ze in­de­si­de­ra­te. Per garantire la sicurezza dell’utente, è quindi es­sen­zia­le valutare at­ten­ta­men­te le im­pli­ca­zio­ni etiche, legali e sociali.