Il cervello universale. La nuova frontiera delle connessioni tra uomini e computer

  È notte e gli arpeggi di un violino si diffondono nell'edificio deserto dell'istituto di medicina fino a raggiungere l'entrata principale. Miguel Nicolelis, all'epoca giovane studente alla Facoltà di medicina dell'Università di San Paolo, non può fare a meno di seguire la musica. Inizia così il lungo viaggio che porterà Nicolelis all'ascolto di una melodia non meno affascinante, il "canto dei neuroni". Negli anni ottanta e novanta del Novecento la ricerca in campo neurofisiologico si concentrava sul comportamento di singoli neuroni ed erano ancora pochi gli studiosi non conformisti a campionare l'attività di popolazioni di neuroni. Nicolelis, nel frattempo trasferitosi alla Hahnemann University of Philadelphia, è tra questi. Come il suo mentore, John Chapin, è convinto che l'innesco istantaneo di un singolo neurone non sia utile né per discriminare tra stimoli diversi, né per predire un qualsiasi comportamento. Per capire il "punto di vista del cervello" è necessario monitorare simultaneamente popolazioni di singoli neuroni. Questa intuizione porterà Nicolelis e Chapin a scoprire che, anziché avere neuroni estremamente specializzati che si attivano in risposta a un singolo stimolo con precisi attributi (il cosiddetto "neurone della nonna", che risponderebbe selettivamente al volto di vostra nonna), le rappresentazioni neuronali sono distribuite e appaiono formate da neuroni a ampia sintonizzazione, impegnati a codificare piccole quantità di informazione in maniera probabilistica (principio della codifica neurale distribuita). Aspetto ancora più interessante, dal momento che i potenziali d'azione di un singolo neurone corticale possono essere utilizzati da distinti sistemi neuronali per codificare più parametri funzionali o comportamentali, i singoli neuroni sono di fatto multitasking e possono simultaneamente partecipare a più insiemi neuronali funzionali. Questa scoperta ha importanti implicazioni per lo sviluppo di interfaccia cervello-macchina (o Bmi, brain-machine interface), ovvero interfaccia in grado di leggere l'attività neuronale, tradurre questa attività in segnali di controllo digitale e trasferire questi segnali a un dispositivo robotico, per esempio un arto protesico. Se il principio della codifica neurale distribuita è valido, per controllare efficacemente un arto protesico non sarà infatti sufficiente monitorare il tasso di attivazione di un singolo neurone. Perché l'interfaccia cervello-macchina possa operare coerentemente, per un lungo intervallo di tempo, l'unità funzionale di base dovrà essere costruita da popolazioni di neuroni. I primi esperimenti ispirati a questo "principio di insufficienza del singolo neurone", sono realizzati da Nicolelis e Chapin nel 1997: l'interfaccia era costituita da una semplice leva metallica che, quando azionata, rilasciava una ricompensa. La sfida era insegnare a un ratto ad azionare la leva non con il suo muso peloso (il metodo preferito) o le zampe anteriori, ma usando esclusivamente il cervello. Ma per un ratto è davvero possibile capire che deve basarsi soltanto sul pensiero per avere una ricompensa? All'inzio il ratto inviava alla zampa anteriore il comando di premere la leva, l'interfaccia leggeva nell'attivazione di neuroni corticali del ratto l'intenzione motoria e la trasferiva a un dispositivo per controllare la leva. Il ratto muoveva la zampa e nel comandare il movimento della zampa, comandava anche la leva. A quel punto la barretta della leva venne tuttavia scollegata in modo da rendere il movimento della zampa del tutto inutile. Come avrebbe fatto ciascuno di noi, il ratto frustrato reagì alla nuova situazione cercando un modo di azionare la barretta senza utilizzare la zampa. I primi tentativi furono troppo cauti per portare a un risultato, ma dopo una serie di prove ed errori, la maggior parte dei ratti aveva del tutto cessato di premere la barretta con le zampe anteriori: aveva scoperto che per ottenere la ricompensa era sufficiente guardare la barretta è simulare il movimento della zampa. Senza che il ratto muovesse letteralmente un baffo, la Bmi progettata da Chapin e Nicolelis permetteva all'attività cerebrale del ratto di agire direttamente sulla leva. A partire da questi primi tentativi pioneristici, attraverso esperimenti condotti prima sui primati e poi sull'uomo, lo sviluppo delle Bmi ha conosciuto un progresso così straordinario da permettere a Nicolelis di immaginare un futuro, non troppo lontano, in cui le Bmi permetteranno agli esseri umani di agire attraverso strumenti controllati dal solo pensiero in una varietà di ambienti, dalle profondità degli oceani fino alle più piccole insenature dello spazio extracellulare dei nostri stessi corpi. Prima ancora, nell'arco di un decennio o due, le Bmi potrebbero tuttavia con buona probabilità modificare la vita di milioni di persone che non possono più vedere, udire, toccare, afferrare un oggetto, camminare o parlare, ripristinando le funzioni neurologiche compromesse. Già quest'anno, tra meno di due mesi, il calcio di avvio del campionato di calcio mondiale 2014, a Rio De Janeiro, sarà dato da un ragazzo tetraplegico (The Walk Again Project, "http://virtualreality.duke.edu/project/walk-again-project"). A consentirgli di alzarsi dalla sedia a rotelle e calciare il pallone sarà un esoscheletro, ovvero una sorta di robot indossabile, controllato da una Bmi.   Cristina Becchio