A cura di MIUR - Direzione Generale per il coordinamento la promozione e la valorizzazione della ricerca

Dove le neuroscienze e le neurotecnologie si incontrano. Intervista a Giulio Nicolò Meldolesi

Dove le neuroscienze e le neurotecnologie si incontrano. Intervista a Giulio Nicolò Meldolesi

Le Neurotecnologie si stanno affermando come una delle aree di maggior interesse scientifico del XXI secolo. Integrano metodi avanzati di ingegneria elettrotecnica e delle scienze informatiche con le conoscenze attuali delle Neuroscienze e della Neurofisiopatologia al fine di produrre nuovi dispositivi per la diagnosi, la cura o il trattamento dei disturbi del sistema nervoso.

Grandi i progressi già compiuti nella progettazione e nell’implementazione di una nuova generazione di dispositivi capaci di ripristinare o accrescere le funzioni sensoriali e motorie, come ad esempio le interfacce cervello-computer (BCI) per persone affette da gravi paralisi o per la neuroriabilitazione di persone colpite da ictus, ma anche in grado di curare o alleviare i sintomi di alcune gravi malattie, come ad esempio la stimolazione cerebrale profonda per il Parkinson.

Anche il nostro Paese va forte in questo campo dagli orizzonti molto promettenti. Tra gli enti di eccellenza, il Cyber Brain Hub Lab di Caserta rappresenta la prima infrastruttura del Meridione interamente dedicata allo studio delle Neuroscienze e della Neurocibernetica. Finanziata dal Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (MIUR) con fondi dell’Unione Europea per un valore pari a 12,4 milioni di euro, è dotata di apparecchiature allo stato dell’arte della tecnologia mondiale.

In occasione del Simposio internazionale di Caserta del 3 Novembre dal titolo “Oltre le frontiere della scienza: dove le neuroscienze e la neurotecnologia si incontrano”, che ha tenuto a battesimo l’innovativa struttura, abbiamo intervistato il medico Giulio Nicolò Meldolesi (nella foto), Presidente della Fondazione Neurone Onlus per lo studio e la ricerca in neuro-psico-biologia e neuroscienze cliniche di Roma, promotore del convegno insieme con Fondazione Neuromed.

Presidente, diventeremo davvero “transumani”, come qualche futurologo già ipotizza?

Il senso del “mutamento” non riguarda tanto il nostro carattere distintivo di essere umani; piuttosto, se consideriamo per esempio i primi impianti di mani bioniche, già oggi consta dell’implementazione di circuiti elettronici posti in connessione diretta con i circuiti biologici del sistema nervoso. Dalla sua comparsa sulla terra l’uomo ha manifestato la propensione a ri-creare, controllandole e potenziandole, le proprie funzioni essenziali – ad es. la motricità, i sensi – vista, tatto, udito, olfatto, gusto, la memoria, il calcolo, che ne definiscono l’essenza, con la tendenza ad integrarle al fine di raggiungere uno scopo più alto. L’evoluzione tenderà dunque a restituire o incrementare le funzioni nervose distintive dell’essere umano, realizzando sistemi biologico-tecnologici in cui il limite preciso tra circuiti biologici ed elettronici diventerà via via sempre più sfumato.

Lei sostiene che la comunicazione cervello-macchina è già una realtà. Cosa ci riserverà il futuro? Potremo davvero curare tante malattie oggi senza speranza di guarigione?

La possibilità di misurare, analizzare e impiegare parametri neurofisiologici offre già oggi molteplici possibilità di applicazione. Esistono diversi modi per registrare e interpretare i segnali del cervello: da quelli più invasivi che utilizzano degli elettrodi intracorticali durante un intervento neurochirurgico, a quelli meno invasivi, come le cuffie con elettrodi per registrare il segnale elettroencefalografico. Le interfacce cervello-computer possono essere collegate al sistema nervoso centrale, costituito dal cervello e dal midollo spinale; o, piuttosto, al sistema nervoso periferico, cioè a quell’insieme di nervi che partono dal sistema nervoso centrale e si diramano in tutto il corpo.

Per ciò che riguarda le interfacce cervello-computer (Brain-Computer Interface – BCI) collegate al sistema centrale, esse si applicano ad esempio ai casi di paralisi. Le paralisi possono avere diverse cause, dall’ictus cerebrale all’incidente stradale. I casi estremi sono rappresentati dalle cosiddette sindromi locked-in in cui i pazienti sono coscienti ma completamente paralizzati e perciò non riescono a compiere alcun movimento volontario. Non possono neanche esternare i propri pensieri. In questi casi, le Spelling-BCI forniscono un canale di comunicazione mettendo i pazienti nella condizione di poter selezionare le lettere presenti sullo schermo di un computer o di un tablet per scrivere la parola desiderata. Una delle più celebri applicazioni del BCI è andata in onda in occasione dei mondiali di calcio del 2014: un esoscheletro comandato dai segnali neurali registrati grazie a un casco per elettroencefalografia – EEG. L’esoscheletro è uno scheletro che avvolge esternamente gli arti inferiori (in questo caso) di una persona paraplegica, e che è in grado di muoverli grazie a dei pistoni idraulici comandati dal computer.

La tecnologia delle BCI può aiutare i pazienti affetti da ictus cerebrale a recuperare la funzionalità ad esempio di un braccio paralizzato. Viene ad es. applicata una protesi robotica flessibile alla mano del soggetto che si vuole riabilitare. Mediante modulazione dell’attività cerebrale legata ai movimenti della mano, il paziente impara ad aprire e chiudere la protesi attaccata alla propria mano ancora immobile, che in questo modo viene mossa dalla protesi in modo passivo. A Losanna, alla École Polytechnique Fédérale – EPFL è stato sviluppato un sistema che consente di guidare una sedie a rotelle utilizzando il segnale cerebrale. In particolare viene utilizzato il motor imagery o immaginazione motoria, cioè gli impulsi che generiamo ogni volta che pensiamo di muovere qualcosa:il paziente impara a produrre i comandi destra, sinistra, avanti e stop semplicemente immaginando movimenti diversi per ciascuno. Come tecnologia alternativa, al Rehabilitation Institute of Chicago, mediante l’uso di sensori si rilevano i movimenti residui, ad es, delle spalle, di pazienti paralizzati, al fine di muovere la carrozzina.

meldolesi2_700

Ci sono già delle applicazioni cliniche di successo?

Nell’ambito delle interfacce cervello-computer unicamente sensoriali, i due più grandi successi finora raggiunti sono probabilmente:

1) l’impianto cocleare, o orecchio bionico. Un impianto rivolto alle persone affette da grave sordità che permette di recuperare la percezione dei suoni traducendoli in stimoli elettrici applicati direttamente al nervo cocleare. E’ costituito da una parte esterna che cattura il suono e da una parte interna che trasforma il suono registrato in opportuni segnali elettrici da trasferire agli elettrodi posizionati all’interno della coclea. Un dato risalente al 2012 ci dice che più di 300.000 persone nel mondo hanno avuto un impianto cocleare;

2) le protesi retiniche. Esistono in commercio dispositivi sviluppati per pazienti affetti da retinite pigmentosa, una malattia genetica degenerativa piuttosto diffusa che può portare alla completa cecità. L’idea fondamentale consiste nel sostituire la parte della retina danneggiata con una retina artificiale che sia in grado di registrare l’informazione visiva per trasformarla in segnali elettrici con un significato che sia correttamente interpretato dalla corteccia visiva. Al momento esistono due sistemi in commercio: l’Argus II e l’Alpha-IMS che hanno ottenuto la certificazione europea rispettivamente nel marzo 2011 e nel marzo 2013. Per ora i pazienti sono in grado di riconoscere appena i contorni delle cose; tuttavia, per una persona che abbia perso completamente la vista ciò rappresenta un aiuto del tutto apprezzabile. In futuro i dispositivi dovranno essere migliorati per permettere alle persone di vedere immagini più nitide e a colori.

In tutti i casi sopra menzionati, ciò che veramente manca e che dovrà essere oggetto di intensa ricerca nei prossimi anni, è la conoscenza approfondita del codice neurale, cioè il codice che utilizza il cervello per elaborare e trasmettere informazioni così precise e accurate.

In questo contesto altamente innovativo, quali sono i programmi di Cyber Brain Hub Lab per i prossimi anni?

Con la rete di collaborazioni che abbiamo sviluppato in questi ultimi anni stiamo lavorando a un nuovo progetto che prevede il trasferimento di linee di ricerche altamente innovative già presenti nel Settentrione e negli Stati Uniti. Sono 6 linee di ricerca che riguardano il BCI, la Neuroprostetica, la Neuroprotesica e trasmissione del segnale via wireless, l’elettrocorticografia (ECoG) e l’analisi dei dati, l’assistive technology e la riabilitazione clinica, cognitiva e motoria. Una delle parti più delicate di questa fase del lavoro è la costruzione di rapporti di collaborazione con le Università, in primis del territorio campano e del Meridione, offrendo la possibilità ai giovani studenti, dottorandi e postdoc di formarsi e lavorare a Caserta. Il rapporto col territorio riguarda potenzialmente tutti i settori della ricerca e sviluppo connessi ai poliedrici campi di impiego di queste conoscenze (ospedali e applicazioni cliniche – malattie neurologiche, neuroriabilitazione, riabilitazione cognitiva, cognitive training e neurofeedback, imprese – neuromarketing, automotive, aerospazio, ICT, videogiochi, medicina sportiva ecc).

Lei ha detto che questa nuova struttura di ricerca appartiene ai giovani… Qual è l’età media dei vostri ricercatori? A che tipo di figure professionali siete specificamente interessati? Per quali percorsi di carriera?

Una struttura di eccellenza costruita con soldi pubblici deve essere a servizio dei giovani e della collettività. A regime potrebbe accogliere 30-40 ricercatori, primariamente dottorandi, in media 23-30 anni, e postdoc -26-35 anni, il cui lavoro sarebbe supervisionato da ricercatori esperti della materia. Le figure professionali riguardano bioingegneri, elettronici e informatici, fisici, matematici, medici – neurologi, neurochirurghi, radiologi, elettrofisiologi, neuropsicologi, fisiatri e tecnici della riabilitazione. Vorrei che la struttura fosse visitata anche dagli studenti universitari e liceali. Che gli studenti potessero entrare sin da molto giovani a contatto con questa realtà, instillando in loro il seme di un’affascinante nuova forma del sapere. La prospettiva di finanziare con fondi europei PON e FSR borse di dottorato industriale e contratti postdoc permetterebbe ai giovani che lavorano nel Cyber Brain Hub Lab di formarsi sotto la supervisione di maestri eccellenti, afferenti a diversi Istituti di ricerca nazionali e internazionali. Ciò garantirebbe loro di spostarsi tra centri diversi integrando così il bagaglio delle proprie conoscenze. Inoltre, a differenza dei classici percorsi accademici, verrebbero sin dall’inizio inseriti in un programma di ricerca orientato alla produzione preindustriale e industriale, a contatto sin dall’inizio con aziende e industrie, all’interno della filiera produttiva che dai livelli 2-3 dei Technology Readiness Levels (TRL) giunge alla realizzazione di brevetti e prototipi (TRL 7-8), favorendo l’ingresso dei giovani nella rete produttiva.

È davvero un progetto ambizioso e multidisciplinare. Che tipo di collaborazioni avete in essere e che tipo di collaborazioni intendete sviluppare a livello nazionale e internazionale?

Considerata la natura multidisciplinare del progetto abbiamo avviato una cooperazione con una serie di Istituti e Fondazioni di ricerca che potessero coprire le aree principali di studio, garantendo dunque una progressiva articolazione e integrazione delle conoscenze. Allo stato presente abbiamo collaborazioni con: 1) Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia (IIT)  di Rovereto (TN)- Neural Computer Interaction Laboratory, per ciò che concerne l’elaborazione dei segnali; 2) Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni, Politecnico di Torino, Center for Space Human Robotics, IIT@PoliTO, Torino per l’elettronica e microelettronica; 3) Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa (SSSA) per la biorobotica; 4) Albany Medical College, Albany, New York e 5) Wadsworth Center, Albany, New York, e 6) Centro per la Chirurgia dell’Epilessia, IRCCS Neuromed, tutti per le neuroscienze, mappaggio cerebrale ed elettrocorticografia (ECoG); 7) Laboratorio di Imaging Neuroelettrico IRCCS Fondazione Santa Lucia, Roma per le neuroscienze e la neuroriabilitazione motoria e cognitiva; 8) Dipart. di Ingegneria Informatica, Automatica e Gestionale Antonio Ruberti (DIAG), e 9) il Dipartimento di Medicina Molecolare, entrambe dell’Università “Sapienza”, Roma, per ciò concerne le interfacce cervello-computer (Brain-Computer Interface – BCI) e la assistive technology (sviluppo di dispositivi per la riabilitazione, l’assistenza e l’adattamento di persone affette da gravi disabilità). Il prossimo passo consisterà nell’attivare molteplici collaborazioni con le università locali e del Meridione. A livello internazionale, importante la cooperazione con l’École Polytechnique Fédérale – EPFL di Losanna (cui già la Scuola Sant’Anna è collegata) e con il Knight Cognitive Neuroscience Lab di UC Berkeley - USA, con cui è in stretto contatto il gruppo di Albany.