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L'esercito americano sta cercando di leggere nel pensiero
Un nuovo programma di ricerca DARPA sta sviluppando interfacce cervello-computer in grado di controllare sciami di droni, operando alla velocità del pensiero. E se avesse successo?
16 ottobre 2019
Illustrazione fotografica delle interfacce soldato e cervello Enrico Nagel
Ad agosto, tre studenti laureati della Carnegie Mellon University sono stati stipati insieme in un piccolo laboratorio seminterrato senza finestre, utilizzando una stampante 3D truccata da una giuria per fulminare una fetta di cervello di topo con l'elettricità.
Il frammento di cervello, tagliato dall'ippocampo, sembrava un pezzo d'aglio affettato sottilmente. Poggiava su una piattaforma vicino al centro dell'aggeggio. Un tubo stretto ha immerso la fetta in una soluzione di sale, glucosio e aminoacidi. Questo lo ha tenuto in vita, in un certo senso: i neuroni nella fetta hanno continuato a attivarsi, consentendo agli sperimentatori di raccogliere dati. Una serie di elettrodi sotto la fetta ha fornito gli scariche elettriche, mentre una sonda metallica simile a una siringa ha misurato la reazione dei neuroni. Lampade a LED luminose illuminavano la parabola. L'impostazione, per usare il gergo dei membri del laboratorio, era un po' complicata.
Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2019
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Un monitor accanto al rig mostrava lo stimolo e la risposta: le scosse elettriche degli elettrodi erano seguite, millisecondi dopo, dall'attivazione dei neuroni. Successivamente, i ricercatori avrebbero posizionato un materiale con le stesse proprietà elettriche e ottiche di un teschio umano tra la fetta e gli elettrodi, per vedere se potevano stimolare anche l'ippocampo del topo attraverso il cranio simulato.
Lo stavano facendo perché volevano essere in grado di rilevare e manipolare i segnali nel cervello umano senza dover tagliare il cranio e toccare il delicato tessuto cerebrale. Il loro obiettivo è quello di sviluppare alla fine interfacce cervello-computer accurate e sensibili che possano essere indossate e tolte come un casco o una fascia, senza bisogno di un intervento chirurgico.
I crani umani hanno uno spessore inferiore a un centimetro: lo spessore esatto varia da persona a persona e da luogo a luogo. Agiscono come un filtro di sfocatura che diffonde le forme d'onda, siano esse correnti elettriche, luce o suono. I neuroni nel cervello possono avere un diametro di pochi millesimi di millimetro e generare impulsi elettrici deboli come un ventesimo di volt.
L'esperimento degli studenti aveva lo scopo di raccogliere una linea di base di dati con cui confrontare i risultati di una nuova tecnica che Pulkit Grover, il ricercatore principale del team, spera di sviluppare.
Niente del genere è [ora] possibile, ed è davvero difficile da fare, dice Grover. Co-dirige uno dei sei team che prendono parte al Next-generation Nonsurgical Neurotechnology Program, o N³, un Sforzo di 104 milioni di dollari lanciato quest'anno dalla Defense Advanced Research Projects Agency , o DARPA. Mentre il team di Grover sta manipolando segnali elettrici e ultrasonici, altri team utilizzano tecniche ottiche o magnetiche. Se uno di questi approcci avrà successo, i risultati saranno trasformativi.
La chirurgia è costosa e la chirurgia per creare un nuovo tipo di super-guerriero è eticamente complicata. Un dispositivo di lettura della mente che non richiede un intervento chirurgico aprirebbe un mondo di possibilità. Le interfacce cervello-computer, o BCI, sono state utilizzate per aiutare le persone con tetraplegia a riguadagnare un controllo limitato sui loro corpi e per consentire ai veterani che hanno perso arti in Iraq e in Afghanistan di controllare quelli artificiali. N³ è il primo serio tentativo delle forze armate statunitensi di sviluppare BCI con uno scopo più bellicoso. Lavorare con droni e sciami di droni, operando alla velocità del pensiero piuttosto che attraverso dispositivi meccanici: questo tipo di cose è ciò a cui servono davvero questi dispositivi, afferma Al Emondi, direttore di N³.
L'informatico dell'UCLA Jacques J. Vidal ha usato per la prima volta il termine interfaccia cervello-computer all'inizio degli anni '70; è una di quelle frasi, come l'intelligenza artificiale, la cui definizione si evolve man mano che si sviluppano le capacità che descrive. L'elettroencefalografia (EEG), che registra l'attività elettrica nel cervello utilizzando elettrodi posti sul cranio, potrebbe essere considerata la prima interfaccia tra cervello e computer. Alla fine degli anni '90, i ricercatori della Case Western Reserve University avevano utilizzato l'EEG per interpretare le onde cerebrali di una persona tetraplegica, consentendogli di spostare il cursore di un computer tramite un filo che si estende dagli elettrodi sul cuoio capelluto.
Sia le tecniche invasive che quelle non invasive per la lettura dal cervello sono avanzate da allora. Così hanno anche dispositivi che stimolano il cervello con segnali elettrici per trattare condizioni come l'epilessia. Probabilmente il meccanismo più potente sviluppato fino ad oggi è chiamato array Utah. Sembra un piccolo letto di punte, grande circa la metà di un'unghia da mignolo in totale, che può penetrare in una determinata parte del cervello.
Un giorno del 2010, mentre era in vacanza negli Outer Banks della Carolina del Nord, Ian Burkhart si tuffò nell'oceano e sbatté la testa su un banco di sabbia. Si è schiacciato il midollo spinale e ha perso la funzione dal sesto nervo cervicale in giù. Poteva ancora muovere le braccia alla spalla e al gomito, ma non le mani o le gambe. La terapia fisica non ha aiutato molto. Ha chiesto ai suoi medici del Wexner Medical Center della Ohio State University se c'era qualcos'altro che potevano fare. Si è scoperto che Wexner sperava di condurre uno studio insieme a Battelle, una società di ricerca senza scopo di lucro, per vedere se potevano usare un array Utah per rianimare gli arti di una persona paralizzata.
Laddove l'EEG mostra l'attività aggregata di innumerevoli neuroni, gli array Utah possono registrare gli impulsi da un piccolo numero di essi, o anche da uno solo. Nel 2014, i medici hanno impiantato un array Utah nella testa di Burkhart. L'array ha misurato il campo elettrico in 96 punti all'interno della sua corteccia motoria, 30.000 volte al secondo. Burkhart è entrato in laboratorio più volte alla settimana per oltre un anno, e i ricercatori di Battelle hanno addestrato i loro algoritmi di elaborazione del segnale per catturare le sue intenzioni mentre pensava, in modo arduo e sistematico, a come avrebbe mosso la mano se avesse potuto.
Uno spesso cavo, collegato a un piedistallo che esce dal cranio di Burkhart, ha inviato gli impulsi misurati dall'array Utah a un computer. Il computer li ha decodificati e poi ha trasmesso i segnali a una manica di elettrodi che gli copriva quasi l'avambraccio destro. La manica ha attivato i suoi muscoli per eseguire i movimenti che intendeva, come afferrare, sollevare e svuotare una bottiglia o rimuovere una carta di credito dal portafoglio.
Ciò ha reso Burkhart una delle prime persone a riprendere il controllo dei propri muscoli attraverso un tale bypass neurale. Battelle, un altro dei team del programma N³, sta ora lavorando con lui per vedere se possono ottenere gli stessi risultati senza un impianto al cranio.
Ciò significa inventare non solo nuovi dispositivi, ma anche migliori tecniche di elaborazione del segnale per dare un senso ai segnali più deboli e confusi che possono essere captati dall'esterno del cranio. Ecco perché il team di Carnegie Mellon N³ è guidato da Grover, un ingegnere elettrico di formazione, non un neuroscienziato.
Sono super motivato per questo, più di chiunque altro nella stanza.
Subito dopo che Grover arrivò alla Carnegie Mellon, un amico della University of Pittsburgh Medical School lo invitò a partecipare a riunioni cliniche per pazienti affetti da epilessia. Cominciò a sospettare che dall'elettroencefalogramma si potessero dedurre molte più informazioni sul cervello di quanto chiunque gli desse credito e, al contrario, che un'intelligente manipolazione dei segnali esterni potesse avere effetti in profondità all'interno del cervello. Alcuni anni dopo, un team guidato da Edward Boyden presso il Center for Neurobiological Engineering del MIT ha pubblicato un articolo straordinario che è andato ben oltre l'intuizione generale di Grover.
Il gruppo di Boyden aveva applicato due segnali elettrici, di frequenze alte ma leggermente diverse, all'esterno del cranio. Questi non hanno influenzato i neuroni vicini alla superficie del cervello ma quelli più profondi al suo interno. In un fenomeno noto come interferenza costruttiva, si sono combinati per produrre un segnale a bassa frequenza che ha stimolato i neuroni a attivarsi.
Grover e il suo gruppo stanno ora lavorando per estendere i risultati di Boyden con centinaia di elettrodi posizionati sulla superficie del cranio, sia per indirizzare con precisione piccole regioni all'interno del cervello sia per orientare il segnale in modo che possa passare da una regione cerebrale a un altro mentre gli elettrodi rimangono in posizione. È un'idea, dice Grover, che difficilmente i neuroscienziati avrebbero avuto.
Nel frattempo, presso l'Applied Physics Laboratory (APL) della Johns Hopkins University, un altro team di N³ sta utilizzando un approccio completamente diverso: la luce nel vicino infrarosso.
La comprensione attuale è che il tessuto neurale si gonfia e si contrae quando i neuroni emettono segnali elettrici. Questi segnali sono ciò che gli scienziati registrano con l'EEG, un array Utah o altre tecniche. Dave Blodgett di APL sostiene che il gonfiore e la contrazione del tessuto sono un buon segnale di attività neurale e vuole costruire un sistema ottico in grado di misurare tali cambiamenti.
Le tecniche del passato non potevano catturare movimenti fisici così piccoli. Ma Blodgett e il suo team hanno già dimostrato di poter vedere l'attività neurale di un topo quando muove i baffi. Dieci millisecondi dopo un battito di ciglia, Blodgett registra i neuroni corrispondenti che si attivano usando la sua tecnica di misurazione ottica. (Ci sono 1.000 millisecondi in un secondo e 1.000 microsecondi in un millisecondo.) Nel tessuto neurale esposto, il suo team ha registrato l'attività neurale entro 10 microsecondi, esattamente come un array Utah o altri metodi elettrici.
La prossima sfida è fare tutto questo attraverso il cranio. Potrebbe sembrare impossibile: dopotutto, i teschi non sono trasparenti alla luce visibile. Ma la luce del vicino infrarosso può viaggiare attraverso le ossa. La squadra di Blodgett spara laser a infrarossi a bassa potenza attraverso il cranio e quindi misura come viene diffusa la luce di quei laser. Spera che questo permetterà loro di dedurre quale attività neurale sta avvenendo. L'approccio è meno collaudato rispetto all'utilizzo di segnali elettrici, ma questi sono esattamente i tipi di rischi che i programmi DARPA sono progettati per correre.
Di ritorno a Battelle, Gaurav Sharma sta sviluppando un nuovo tipo di nanoparticella che può attraversare la barriera ematoencefalica. È ciò che la DARPA chiama una tecnica minimamente invasiva. La nanoparticella ha un nucleo magneticamente sensibile all'interno di un guscio fatto di un materiale che genera elettricità quando viene applicata la pressione. Se queste nanoparticelle sono soggette a un campo magnetico, il nucleo interno sollecita il guscio, che quindi genera una piccola corrente. Un campo magnetico è molto meglio della luce per vedere attraverso il cranio, dice Sharma. Diverse bobine magnetiche consentono agli scienziati di mirare a parti specifiche del cervello e il processo può essere invertito: le correnti elettriche possono essere convertite in campi magnetici in modo che i segnali possano essere letti.
Resta da vedere quale di questi approcci avrà successo. Altri team N³ stanno usando varie combinazioni di onde luminose, elettriche, magnetiche e ultrasoniche per ottenere segnali dentro e fuori dal cervello. La scienza è senza dubbio eccitante. Ma quell'entusiasmo può oscurare quanto mal equipaggiati il Pentagono e società come Facebook, che stanno anche sviluppando BCI, sono per affrontare la miriade di questioni etiche, legali e sociali che un BCI non invasivo dà origine. In che modo sciami di droni controllati direttamente da un cervello umano potrebbero cambiare la natura della guerra? Emondi, il capo di N³, afferma che le interfacce neurali verranno utilizzate comunque siano necessarie. Ma la necessità militare è un criterio malleabile.
Ad agosto, ho visitato un laboratorio a Battelle dove Burkhart aveva trascorso le diverse ore precedenti a pensare a una nuova manica, dotata di 150 elettrodi che stimolano i muscoli delle braccia. Lui e i ricercatori speravano di poter far funzionare la manica senza dover fare affidamento sull'array Utah per raccogliere i segnali cerebrali.
Ian Burkhart, a sinistra, è rimasto paralizzato da un incidente e sta lavorando con i ricercatori di Battelle per sviluppare migliori interfacce cervello-computer.
Burkhart ha avuto un array Utah, mostrato a destra, impiantato nella sua corteccia motoria nel 2014. Il gruppo Battelle sta ora cercando di sviluppare un modo per leggere i segnali del suo cervello senza un impianto chirurgico.
Se il tuo midollo spinale è stato rotto, pensare di muovere il braccio è un duro lavoro. Burkhart era stanco. C'è una prestazione graduata: quanto sto pensando a qualcosa si traduce in quanto movimento, mi ha detto. Mentre prima [dell'incidente] non pensi 'Apri la mano', il resto di noi prende semplicemente la bottiglia. Ma sono super motivato per questo, più di chiunque altro nella stanza, ha detto. Burkhart ha reso facile vedere il potenziale della tecnologia.
Mi ha detto che da quando ha iniziato a lavorare con l'array Utah, è diventato più forte e più abile anche quando non lo usa, tanto che ora vive da solo, richiedendo assistenza solo poche ore al giorno. Parlo di più con le mani. Posso tenere il telefono, dice. Se si risolve in qualcosa che posso usare ogni giorno, lo indosserei il più a lungo possibile.
Paul Tullis è uno scrittore che vive ad Amsterdam.