I cyborg non sono più fantascienza. Il campo delle interfacce cervello-macchina (BMI) – che utilizzano elettrodi, spesso impiantato nel cervello, per tradurre le informazioni neuronali in comandi in grado di controllare sistemi esterni come un computer o un braccio robotico, esistono da tempo. La compagnia dell'imprenditore Elon Musk, Neuralink, mira a testare i propri sistemi BMI su un paziente umano entro la fine del 2020.

A lungo termine, I dispositivi BMI possono aiutare a monitorare e trattare i sintomi dei disturbi neurologici e controllare gli arti artificiali. Ma potrebbero anche fornire un modello per progettare l'intelligenza artificiale e persino consentire la comunicazione diretta da cervello a cervello. Però, per ora, la sfida principale è sviluppare BMI che evitino di danneggiare i tessuti e le cellule cerebrali durante l'impianto e il funzionamento.

I BMI esistono da oltre un decennio, aiutare le persone che hanno perso la capacità di controllare i propri arti, Per esempio. Però, gli impianti convenzionali, spesso fatti di silicio, sono ordini di grandezza più rigidi del tessuto cerebrale reale, che porta a registrazioni instabili e danni al tessuto cerebrale circostante.

Possono anche portare a una risposta immunitaria in cui il cervello rifiuta l'impianto. Questo perché il nostro cervello umano è come una fortezza custodita, e il sistema neuroimmune, come i soldati in questa fortezza chiusa, proteggerà i neuroni (cellule cerebrali) dagli intrusi, come agenti patogeni o BMI.

Dispositivi flessibili

Per evitare danni e risposte immunitarie, i ricercatori si stanno sempre più concentrando sullo sviluppo del cosiddetto "BMI flessibile". Questi sono molto più morbidi degli impianti di silicio e simili al tessuto cerebrale reale.

Per esempio, Neuralink ha realizzato i suoi primi "fili" flessibili progettati e inseritore - minuscoli, sonde filiformi, che sono molto più flessibili dei precedenti impianti, per collegare un cervello umano direttamente a un computer. Questi sono stati progettati per ridurre al minimo la possibilità che la risposta immunitaria del cervello rifiuti gli elettrodi dopo l'inserimento durante un intervento chirurgico al cervello.

Nel frattempo, i ricercatori del gruppo Lieber dell'Università di Harvard hanno recentemente progettato una mini sonda a maglie che assomiglia così tanto a veri neuroni che il cervello non è in grado di identificare gli impostori. Questa elettronica di ispirazione biologica è costituita da elettrodi di platino e fili d'oro ultrasottili incapsulati da un polimero con dimensioni e flessibilità simili ai corpi cellulari dei neuroni e alle fibre nervose neurali.

La ricerca sui roditori ha dimostrato che tali sonde simili a neuroni non suscitano una risposta immunitaria quando vengono inserite nel cervello. Sono in grado di monitorare sia la funzione che la migrazione dei neuroni.

Muoversi nelle cellule

La maggior parte dei BMI utilizzati oggi raccolgono segnali elettrici del cervello che sono trapelati al di fuori dei neuroni. Se pensiamo al segnale neurale come un suono generato all'interno di una stanza, il modo attuale di registrare è quindi quello di ascoltare il suono all'esterno della stanza. Sfortunatamente, l'intensità del segnale è notevolmente ridotta dall'effetto filtrante della parete:le membrane dei neuroni.

Per ottenere le letture funzionali più accurate al fine di creare un maggiore controllo, ad esempio, degli arti artificiali, i dispositivi di registrazione elettronica devono accedere direttamente all'interno dei neuroni. Il metodo convenzionale più utilizzato per questa registrazione intracellulare è l'"elettrodo patch clamp":un tubo di vetro cavo riempito con una soluzione elettrolitica e un elettrodo di registrazione portato a contatto con la membrana di una cellula isolata. Ma una punta di un micrometro provoca danni irreversibili alle cellule. Cosa c'è di più, può registrare solo poche celle alla volta.

Per affrontare questi problemi, abbiamo recentemente sviluppato un array di transistor nanowire 3-D simile a una forcina e l'abbiamo usato per leggere le attività elettriche intracellulari da più neuroni. È importante sottolineare che siamo stati in grado di farlo senza alcun danno cellulare identificabile. I nostri nanofili sono estremamente sottili e flessibili, e facilmente piegati a forma di forcina:i transistor sono solo circa 15x15x50 nanometri. Se un neurone avesse le dimensioni di una stanza, questi transistor avrebbero le dimensioni di una serratura.

Rivestito con una sostanza che imita la sensazione di una membrana cellulare, questi ultra piccoli, flessibile, le sonde a nanofili possono attraversare le membrane cellulari con il minimo sforzo. E possono registrare le chiacchiere intracellulari con lo stesso livello di precisione del loro più grande concorrente:gli elettrodi patch clamp.

Chiaramente questi progressi sono passi importanti verso BMI precisi e sicuri che saranno necessari se vogliamo raggiungere compiti complessi come la comunicazione da cervello a cervello.

Può sembrare un po' spaventoso ma, in definitiva, se i nostri professionisti medici devono continuare a comprendere meglio i nostri corpi e aiutarci a curare le malattie e vivere più a lungo, è importante continuare a spingere i confini della scienza moderna per fornire loro i migliori strumenti possibili per svolgere il proprio lavoro. Perché ciò sia possibile, un'intersezione minimamente invasiva tra uomo e macchina è inevitabile.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.