Se qualcuno ha un rene danneggiato, un donatore può dare loro un organo di riserva in modo che entrambe le persone possano vivere. E se potessi fare qualcosa di simile per un amico con un cervello in crisi?
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In recenti esperimenti di laboratorio, Miguel Nicolelis e i suoi colleghi hanno unito i cervelli di più scimmie e ratti per funzionare come "brainet", reti condivise in grado di manipolare cooperativamente un braccio virtuale ed effettuare calcoli e decisioni. Nicolelis spera che collegare in questo modo il cervello umano possa scatenare una nuova potente serie di strumenti neurologici che potrebbero aiutare a guarire le persone con disturbi dal Parkinson alla paralisi.
"Stiamo provando un campo completamente nuovo di riabilitazione del cervello", spiega Nicolelis, direttore del Center for Neuroengineering della Duke University. "Cercheremo di agire sui circuiti del cervello e di migliorare effettivamente l'attività funzionale del cervello."
"Tendiamo a dimenticare che il cervello è uno dei dispositivi più potenti dal punto di vista computazionale mai sviluppati", aggiunge Andrea Stocco dell'Università di Washington, che non è stato coinvolto nella ricerca. “Per le cose che è stato sviluppato per fare, come dare un senso a una scena che vediamo per la prima volta o controllare movimenti complessi dei nostri arti, è semplicemente imbattibile. Ora Nicolelis mostra che possiamo unire il potere computazionale che il cervello deve eventualmente risolvere per risolvere i tipi di problemi mal definiti che sono davvero difficili da risolvere per il nostro software ma facili da risolvere per il nostro hardware biologico, i nostri neuroni ”.
Le interfacce cervello-macchina sono in circolazione da circa due decenni e la tecnologia sta trovando impiego in una varietà di trattamenti medici. Ad esempio, alcuni dispositivi utilizzano l'uscita elettrica del cervello, tradotta da un computer, per consentire alle persone di controllare le protesi o manipolare una sedia a rotelle. Ma i lavori precedenti riguardavano solo un singolo operatore. Nicolelis sperava di sapere se più di una materia potesse lavorare insieme come interfaccia cervello-macchina condivisa per migliorare l'attività neurale.
Il suo team ha equipaggiato tre scimmie con elettrodi impiantati che monitoravano e registravano l'attività neurale, che poteva quindi essere combinata da un computer. Le scimmie erano di stanza in stanze separate, ognuna con un display digitale su cui la scimmia poteva usare la sua interfaccia cervello-macchina per manipolare un braccio virtuale verso una ricompensa. In alcuni test, le scimmie condividevano il controllo del braccio, mentre in altre ognuna controllava il movimento in una direzione particolare. Nessuno degli animali sapeva che stavano collaborando per muovere il braccio. Sorprendentemente, non solo hanno compiuto il compito, ma hanno migliorato con la pratica.
"Apparentemente, risulta che solo avendo un feedback visivo e ottenendo una ricompensa per l'esecuzione di un'azione, questi animali possono effettivamente sincronizzare il loro cervello e possono imparare a soddisfare le esigenze di un compito specifico", afferma Nicolelis, il cui team ha descritto i risultati della scorsa settimana nei rapporti scientifici .
"Le scimmie, lavorando insieme, sono state più lente nel portare a termine il compito di quanto chiunque potesse fare manipolando un joystick, ma stavano imparando esattamente altrettanto velocemente", afferma Stocco. “È sorprendente, e sembra significare che per il cervello, questo problema diventa facile da interpretare come qualsiasi problema di coordinazione motoria sensoriale. Da questo grande inizio puoi vedere come potresti creare compiti più complessi che le scimmie saranno in grado di fare meglio lavorando insieme di quanto nessuno di loro potrebbe fare da solo. "
In un esperimento separato descritto anche nei Rapporti scientifici, quattro ratti sono stati fisicamente collegati a un microwire per esplorare come i loro cervelli hanno lavorato insieme come unità in rete per affrontare una serie di problemi. I ratti venivano alimentati con impulsi elettrici di informazioni e premiati quando sincronizzavano il cervello. Hanno anche ricevuto dati, come temperatura e pressione barometrica. I ratti immagazzinavano, recuperavano e condividevano queste informazioni, consentendo al loro cervello di funzionare meglio in analisi come la previsione meteorologica di un singolo topo wireless.
"Quello che hanno fatto è stato davvero spingere la busta, e l'ho trovato affascinante", afferma Stocco, che ha fatto la storia due anni fa, con il suo collega Rajesh Rao, con la prima interfaccia remota da uomo a uomo. Rao ha inviato un segnale al cervello via Internet che ha mosso la mano di Stocco anche mentre era seduto in una stanza attraverso il campus.
Nicolelis suggerisce che gli esseri umani potrebbero già impegnarsi in una forma naturale di condivisione del cervello quando sottoposti a feedback comuni, senza rendersi conto che sta accadendo. “La cosa interessante è che questo probabilmente accade sempre con noi. Quando guardiamo un film in un teatro, questo tipo di feedback sta probabilmente sincronizzando i cervelli del pubblico in modo da avere quelle reazioni di gruppo, ridere o piangere negli stessi momenti ", dice.
"Può anche spiegare perché gruppi di persone possono collaborare per raggiungere un obiettivo comune. Ad esempio una squadra sportiva, dove spesso guardiamo e diciamo che una squadra sta finalmente giocando come una squadra e non come un gruppo di persone. Nessuno ha effettivamente mettere le mani su cosa sia esattamente quell'intesa che fa giocare meglio una squadra di calcio. Può darsi che abbiamo trovato il meccanismo: la sincronizzazione dell'azione cerebrale ".
Il suo team sta ora lavorando ai tentativi di tradurre lo studio delle scimmie in pratiche cliniche non invasive per aiutare eventualmente a riabilitare gli esseri umani paralizzati attraverso il pensiero e l'azione di gruppo.
"Ad esempio, nei miei pazienti paraplegici ho notato che era molto difficile iniziare l'allenamento usando un segnale cerebrale, perché il cervello può letteralmente dimenticare che hai le gambe", spiega. “Quindi parte di questa riabilitazione neurologica è usare un altro cervello per reintrodurre il concetto nel cervello dei pazienti. Potremmo avere un fisioterapista o persino i parenti del paziente che aiutano durante la fase di allenamento fondamentalmente combinando le loro attività cerebrali con le attività cerebrali del paziente. "
