Il governo cerca un'interfaccia cervello-computer ad alta fedeltà

Konrad Kording ha visto il futuro delle neuroscienze e lo trova deprimente.

Alcuni anni fa, Kording, uno scienziato di dati della Northwestern University con un interesse per le neuroscienze, ha deciso di esaminare quanti neuroni gli scienziati avevano registrato simultaneamente nel cervello di un animale vivente. Registrare le vibrazioni elettriche dei neuroni è qualcosa di cui dovremo fare molto di più se vogliamo comprendere la coscienza o sviluppare modi per ripristinare il movimento negli individui paralizzati.

Il risultato è stato un 2011 Neuroscienze della natura articolo che descrive in dettaglio la legge di Stevenson, così chiamata per lo studente laureato e primo autore Ian Stevenson. Simile alla legge di Moore, che prevede un raddoppio della potenza di calcolo ogni due anni, la legge di Stevenson ha anche documentato la crescita esponenziale del numero di neuroni da cui gli scienziati sono stati in grado di registrare contemporaneamente. Eppure, mentre tutti sono felici e colpiti dalla legge di Moore, Kording dice che tutti nelle neuroscienze vogliono vedere morire la legge di Stevenson.

Un'immagine microscopica dei sensori di calcio (verde), dei nuclei dei neuroni (rosso) e delle cellule di supporto chiamate astrociti.

Il motivo è che ognuno di noi ha circa 80 miliardi di neuroni nel cervello. Tuttavia, ciò che i dati hanno mostrato è che dagli anni '20, quando gli scienziati hanno ascoltato per la prima volta i picchi elettrici di un singolo neurone, hanno raddoppiato il numero solo ogni sette anni, a circa 500 alla volta. A questo ritmo, dice Kording, saremo tutti morti prima di poter registrare anche solo una parte del cervello di un topo. Questo non e buono.

Questa settimana decine di neuroscienziati si recheranno ad Arlington, in Virginia, per discutere di come potrebbero infrangere la legge di Stevenson. Il sorteggio è un simposio che spiega i requisiti per un nuovo programma del Dipartimento della Difesa chiamato Neural Engineering System Design, che distribuirà $ 60 milioni come parte dell'iniziativa BRAIN del presidente Obama. L'obiettivo: sviluppare tecnologie in grado di registrare da un milione di neuroni contemporaneamente in soli quattro anni.

Ma questo è solo un inizio. La DARPA, l'agenzia che gestisce il programma, vuole anche un dispositivo in grado di stimolare almeno 100.000 neuroni nel cervello. Deve essere wireless e qualsiasi elettronica deve stare in un pacchetto non molto più grande di un nichelino. Infine, i ricercatori dovrebbero soddisfare i requisiti di sicurezza necessari per condurre studi su soggetti umani, cosa che richiede un'esenzione per dispositivi sperimentali dalla Food and Drug Administration statunitense.

Michael Roukes, professore di fisica e bioingegneria al Caltech, definisce il lasso di tempo estremamente aggressivo. La tendenza dell'agenzia a fissare obiettivi ambiziosi che non sempre vengono raggiunti è nota come DARPA crazy.

Ma capisco il modello, dice. Facciamo un colpo di luna, giusto?

L'obiettivo del progetto non sorprende Roukes. L'obiettivo dichiarato della BRAIN Initiative (vedi Why Obama's Brain-Mapping Project Matters ) è quello di sviluppare modi di leggere e scrivere agli insiemi su larga scala di cellule cerebrali che compongono i circuiti del cervello e lavorare insieme per farci percepire e reagire al mondo. Per fare ciò, è chiaro che l'hardware delle neuroscienze ha bisogno di un importante aggiornamento.

La cosa più importante è sviluppare la tecnologia per prendere un circuito neurale completo, diciamo il cervello di un piccolo animale o un pezzo di corteccia di un topo o di un essere umano, e registrare da ogni neurone lì, dice Rafael Yuste, neuroscienziato della Columbia University. Yuste afferma che la maggior parte degli scienziati utilizza ancora registrazioni in cui le persone si attaccano a questi elettrodi e registrano l'attività di un neurone in un animale o in un paziente. Immagina di provare ad analizzare un'orchestra [ascoltando] ciò che un singolo strumento sta suonando.

Gli attuali record di registrazione sono detenuti da squadre che cercano di sviluppare interfacce cervello-macchina per persone paralizzate, una tecnologia che interessa anche la DARPA. I team della Brown University e dell'Università di Pittsburgh, tra l'altro, sono riusciti a utilizzare array di aghi di silicio affilati per registrare da 200 a 300 neuroni contemporaneamente all'interno del cervello dei volontari. Questo è abbastanza per leggere approssimativamente a quali movimenti del braccio e della mano sta pensando una persona e usare il segnale per muovere un braccio robotico (vedi The Thought Experiment ) o guidare una sedia a rotelle.

Vedete braccia robotiche in movimento oggi, dice Jonathan Wolpaw, esperto di interfacce cervello-computer presso il Wadsworth Center del Dipartimento della Salute di New York. Ma non sono niente che sia neanche lontanamente pronto per essere portato fuori dal laboratorio. Non c'è nessun BCI che ora vorresti usare per controllare una sedia a rotelle sul bordo di una scogliera o per guidare nel traffico intenso.

Uno dei motivi per cui i neuroscienziati sono certi che insiemi più ampi di neuroni contengano risposte è che il neurone medio aumenta, al massimo, un paio di volte al secondo. Eppure il movimento si basa su aggiustamenti che si verificano su una scala temporale almeno 10 volte più veloce. Ciò significa che ogni singolo neurone non può contenere le informazioni necessarie per codificare le complessità di una mossa di danza o suonare il piano. Il movimento è distribuito su molti milioni di neuroni in più aree cerebrali, afferma Kording. Abbiamo bisogno di almeno 1.000 volte più neuroni per un fantastico dispositivo protesico, secondo la mia stima.

Una strategia per arrivarci è ridurre le dimensioni degli elettrodi in modo che i bioingegneri possano stipare più elettrodi nel cervello contemporaneamente. Questo approccio è stato adottato alla Duke University, afferma Mikhail A. Lebedev, ricercatore senior in un gruppo che attualmente rivendica diversi record di registrazione neurale nelle scimmie, leggendo circa 500 neuroni alla volta, che ha gestito inserendo scrupolosamente fasci di elettrodi sottili nel cervello di una scimmia.

Altri pensano che siano necessari approcci completamente nuovi. All'Università della California, a Berkeley, i ricercatori stanno esplorando la polvere neurale costituita da sensori microscopici fluttuanti che potrebbero diffondersi nel cervello. Anche le tecniche ottiche sono promettenti. Nel 2013, Misha Ahrens, neuroscienziata presso il campus Janelia Farms dell'Howard Hughes Medical Institute, ha dimostrato di essere in grado di registrare da 100.000 neuroni, praticamente l'intero cervello di un pesce zebra, modificandoli geneticamente per farli brillare dopo l'attivazione. Ahrens dice che guardare così tanti neuroni contemporaneamente sta già generando alcune sorprese. Puoi trovare aree pertinenti al comportamento in cui non sembreresti altrimenti, dice.

Il risultato di Ahrens non conta per l'obiettivo della DARPA, o per infrangere la legge di Stevenson, perché il suo metodo non cattura i picchi elettrici dei neuroni esattamente quando si verificano. Questo perché le molecole luminose sono innescate da cambiamenti nelle concentrazioni di calcio che si verificano all'interno di una cellula solo dopo che si è spenta. Roukes, lo scienziato del Caltech, afferma che i ricercatori stanno già lavorando per sviluppare molecole fluorescenti che rispondono direttamente ai cambiamenti di tensione.

Un problema diverso è che, a differenza di un pesce zebra, che è fondamentalmente traslucido, il cervello umano ha una consistenza lattiginosa che è difficile vedere attraverso. Per far fronte a questo, dice Roukes, potrebbe essere possibile far scorrere gambi di silicio ultrasottili in tutto il cervello. Questi conterrebbero l'hardware necessario sia per emettere luce che per rilevarla dalle cellule vicine, aggirando il problema dell'opacità del cervello. Se si utilizzassero abbastanza di questi pilastri, l'intero cervello potrebbe essere illuminato, calcola Roukes.

Sebbene le tecniche ottiche siano promettenti, la FDA potrebbe essere riluttante a lasciare che gli scienziati modifichino geneticamente i cervelli dei volontari in modo che si illuminino. Roukes afferma che, di conseguenza, lui ei suoi collaboratori hanno in programma di presentare DARPA con una proposta più convenzionale che si basa ancora su elettrodi più convenzionali.

La DARPA ha ragioni per insistere che qualsiasi schema di registrazione venga provato negli esseri umani. L'agenzia spera che l'obiettivo attiri l'interesse delle aziende di dispositivi medici e dei produttori di semiconduttori e strumenti ottici. Senza il coinvolgimento dell'industria, ci sono poche possibilità di migliorare le interfacce cervello-macchina alla stessa velocità dei computer.

Cercando di spingerlo negli esseri umani, potrebbero essere in grado di ottenere alcuni elementi tecnologici che non sono stati utilizzati negli esperimenti sugli animali perché non c'è stato un grande motore economico per questo, afferma Adam Marblestone, neuroscienziato del MIT . Spera di vedere dell'ingegneria davvero seria che è mancata negli esperimenti accademici.

nascondere