Come funzionano l'impianto Neuralink

Le interfacce elettriche cervello-macchina impiantabili promettono grandi progressi, sia per comprendere il funzionamento del cervello sia per compensare o sostituire funzioni perse a seguito di un incidente o di una malattia neurodegenerativa: visione primaria, abilità motorie, sintesi vocale o scrittura digitale.

Sebbene queste interfacce siano ancora lontane dall’essere realmente operative in clinica, rappresentano ancora per alcuni la speranza di aumentare le capacità umane, con applicazioni sia sensoriali (visione notturna ad esempio) che funzionali (aumento della memoria o delle capacità intellettuali, ad esempio). Anche se molte di queste applicazioni sono ancora fantascienza, come la trasmissione di sensazioni o l’aumento delle nostre prestazioni intellettuali, altre non sembrano fuori portata, come ad esempio la visione a infrarossi o ultravioletti.

Anche se le questioni etiche accompagnano lo sviluppo delle interfacce cervello-macchina di Neuralink, la pubblicizzatissima azienda di Elon Musk, lo scopo dell’articolo è spiegare il loro funzionamento tecnico, le loro sfide tecnologiche e il contrasto tra le speranze che suscitano e ciò di cui sono attualmente capaci di raggiungere.

In effetti, i dispositivi attuali si confrontano con molteplici blocchi tecnologici e concettuali. Vincoli tecnici ne limitano attualmente l’utilizzo a casi clinici specifici, dove i rischi associati all’inserimento di un impianto sono controbilanciati dalla stima di un beneficio immediato o futuro per i pazienti. Siamo quindi molto lontani dal poter utilizzare questi impianti nella routine clinica e nella vita di tutti i giorni, e per di più per applicazioni divertenti o per aumentare le capacità umane.

Dove sono gli impianti attuali, e in particolare l’impianto Neuralink?

Per la parte medica e la comprensione del cervello, le interfacce in fase di sviluppo all’interno di laboratori accademici e industriali offrono già prospettive interessanti. Ma pochi strumenti accademici offrono attualmente una soluzione completamente implementata con tanti elettrodi e tanti dati come quelli dell’interfaccia Neuralink.

Questo mira a creare un’interfaccia cervello-macchina impiantabile in una mattinata, sia per il campo medico per le persone con paralisi, ma anche per consentire a tutti di controllare il proprio smartphone, un videogioco o, a lungo termine, aumentare le proprie capacità umane. Per questo, mira a una tecnologia di impianto cerebrale che registri un gran numero di neuroni, che non avrebbe alcun impatto estetico e non presenterebbe alcun pericolo – una tale tecnologia attualmente non esiste.

Se si scoprirà che l’impianto di Neuralink funziona in modo affidabile e se ottiene l’approvazione delle agenzie sanitarie per l’uso negli esseri umani, potrebbe essere un passo verso una decodifica più accurata dell’attività neurale, la progettazione di neuroprotesi cliniche e la comprensione di modalità del cervello precedentemente inaccessibili.

Come funziona? Dall’impianto neurale alla neuroprotesi

Nella letteratura e nelle cronache si trovano indistintamente i termini “interfaccia elettrica cervello-macchina”, “neuroprotesi” o “impianto neurale”. Una “neuroprotesi” è un tipo di interfaccia cervello-macchina che consentirà di integrare o sostituire una funzione perduta. Proprio come il sistema nervoso invia o riceve informazioni dal suo ambiente, le neuroprotesi cattureranno informazioni dal nostro ambiente attraverso sistemi artificiali per rimandarle al sistema nervoso o cattureranno informazioni dal sistema nervoso per rimandarle indietro, a se stesso o al nostro ambiente con l’aiuto di dispositivi artificiali.

La neuroprotesi o interfaccia elettrica cervello-macchina è composta da più parti. Passando dal sistema neurale a un’interfaccia che può essere utilizzata dagli esseri umani (come lo schermo di un computer), i costituenti di una neuroprotesi sono i seguenti:

una rete di elettrodi posti a contatto con il tessuto neuronale,
un sistema di connessione che permette di collegare gli elettrodi ad un sistema elettronico,
un sistema di comunicazione che consente di inviare segnali agli elettrodi o di ricevere i segnali raccolti dagli elettrodi,
un sistema di registrazione dei dati,
un sistema di elaborazione e decodifica dei dati,
un sistema di invio di informazioni a uno o più effettori, per esempio un braccio robotico. La parte impiantabile, l'”impianto neurale” in senso stretto, è attualmente composta dalle parti 1-2 o 1-2-3.

Quali sono gli attuali limiti tecnologici delle interfacce cervello-macchina?

L’obiettivo attuale è quello di avere un impianto neurale con un gran numero di elettrodi di registrazione o di stimolazione, la cui efficacia si mantenga per decenni. Se, nonostante più di trent’anni di ricerca, questo obiettivo non è stato ancora raggiunto, è perché ad esso sono associate molte grandi sfide, in particolare:

L’intervento di impianto deve essere il meno traumatico possibile ed in particolare non deve danneggiare i microvasi sanguigni della corteccia pena l’innesco di una reazione infiammatoria importante.
L’impianto deve essere il più sottile possibile, anche flessibile, in modo da non provocare troppi traumi o una reazione di rigetto nel cervello durante il suo inserimento. Inoltre, nel tempo, la ganga protettiva generata dal sistema nervoso può impedire la comunicazione tra gli elettrodi e i neuroni.
Per registrare o stimolare il maggior numero possibile di neuroni, è stato necessario sviluppare metodi di microfabbricazione su microdispositivi flessibili in modo da integrare il maggior numero possibile di elettrodi in uno spazio molto ridotto. Gli elettrodi di corrente possono raggiungere dimensioni dell’ordine da 5 a 10 micrometri.
Molti nuovi materiali per elettrodi sono stati sviluppati per rilevare i campi elettrici molto deboli generati dai neuroni o per stimolarli, cosa che i metalli convenzionali come il platino non consentivano. Oggi le prestazioni degli elettrodi sono notevolmente migliorate, in particolare grazie all’introduzione di materiali porosi.
L’impianto deve mantenere l’integrità delle sue prestazioni elettriche nel tempo, ma le attuali tecnologie flessibili sono sensibili all’acqua a lungo termine, il che influisce sulla vita degli impianti. Questo punto è uno dei principali blocchi tecnologici.
Per potersi muovere normalmente fuori da un laboratorio o da un ospedale, gli impianti devono poter comunicare e autoalimentarsi, senza fili. Ma le attuali tecnologie di trasmissione del segnale a radiofrequenza, quando ci sono molti elettrodi, generano un aumento locale della temperatura dannoso per il tessuto neuronale, un altro grande ostacolo tecnologico.

Modi per trasformare in realtà le interfacce cervello-macchina

Nel tentativo di risolvere questi problemi, l’azienda Neuralink ha, ad esempio, progettato una rete di elettrodi per stimolare o registrare l’attività neuronale, distribuiti su diversi filamenti polimerici flessibili che portano microelettrodi. I materiali utilizzati sono biocompatibili e gli strati di carburo di silicio per garantire l’integrità elettronica degli impianti sembrano essere allo studio. Infine, ciascun filamento è collegato a un chip elettronico che viene utilizzato per registrare l’attività neuronale o generare impulsi elettrici per la stimolazione.

Inoltre, l’azienda sta sviluppando un robot autonomo in grado di eseguire tutte le fasi della chirurgia implantare, dalla trapanazione all’inserimento degli impianti.

L’inserimento di impianti flessibili nel cervello non è infatti semplice e diverse strategie sono state sviluppate da diversi laboratori, come l’irrigidimento temporaneo dell’impianto utilizzando un polimero riassorbibile, l’uso di una guida rigida o un approccio simile a una “macchina da cucire” robotica, anch’esso sviluppato a Berkeley, che infila un ago attraverso un foro all’estremità dell’impianto flessibile per spingere l’impianto nel cervello e quindi rimuovere solo l’ago. Quest’ultima modalità è ripresa da Neuralink, che la abbina a un sistema di telecamere che individuano le aree della superficie della corteccia non o poco vascolarizzate dove inserire gli impianti limitando il microsanguinamento.

Analizza e trasmetti dati, senza surriscaldamento

Per quanto riguarda il problema del riscaldamento locale dovuto all’analisi e alla trasmissione wireless dei dati, due tecnologie erano state finora applicate all’uomo.

Il primo è quello della società BlackRock Neurotech, che deporta i circuiti di elaborazione e invio del segnale sopra la scatola cranica. Questo genera problemi estetici ma anche rischi di infezione a causa dei fili che corrono dalla pelle al cervello.

La seconda tecnologia è quella del laboratorio CLINATEC del CEA Grenoble, che raccoglie solo segnali che non richiedono un’elevata precisione di digitalizzazione e registra solo informazioni su un massimo di 64 elettrodi contemporaneamente. Questo laboratorio ha così prodotto il primo impianto neurale wireless con così tanti canali, e completamente integrato sotto la pelle. Viene inserito per sostituire parte dell’osso del cranio. Neuralink, da parte sua, offre un chip più piccolo, anch’esso inserito nell’osso del cranio, che elabora più di 1.000 percorsi ma invia solo determinate caratteristiche dei segnali neurali, ritenuti importanti grazie agli algoritmi di bordo.

Per quanto riguarda la durata degli impianti, bisognerà ancora attendere un po’ per vedere se la strategia è efficace e consente un’interfaccia stabile per diversi anni. Una volta superato questo limite, sarà sicuramente necessario affrontare la raccolta di un numero ancora maggiore di segnali. Allo stato attuale, si può stimare che la tecnologia Neuralink possa registrare fino a circa 3000 neuroni con i suoi 1024 elettrodi: questo è impressionante dal punto di vista dello stato dell’arte, ma ben lungi dall’essere sufficiente per cogliere l’immensità del cervello segnali.

Concettualmente, nonostante l’ottima miniaturizzazione, sarà molto difficile ottenere la registrazione di milioni di singoli neuroni con questa tecnologia senza che l’impianto ei connettori associati occupino troppo spazio nel cervello. Potrebbe essere necessario escogitare altri concetti per andare oltre questi limiti.