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.