Un'interfaccia per la connessione dei cervelli

http://www.lescienze.it/news/2015/07/09/news/brainet_rete_collegamento_cervelli_macachi_ratti-2682934/

Le interfacce in grado di collegare sistemi nervosi di diversi individui per svolgere compiti differenti, già messe in scena in alcuni film di fantascienza, sono ora una realtà, almeno per quanto riguarda la sperimentazione su animali. Il risultato è stato raggiunto da due studi distinti, entrambi pubblicati su "Scientific Reports" da Miguel Nicolelis e colleghi della Duke University. Grazie a un'interfaccia cervello-cervello denominata Brainet, i ricercatori hanno integrato i processi cerebrali di quattro macachi rhesus per muovere un braccio virtuale su uno schermo nel primo studio e di quattro ratti per svolgere in modo coordinato un compito computazionale, nel secondo studio.



Nel primo studio, Nicolelis e colleghi hanno impiantato in quattro macachi una schiera di elettrodi con cui rilevare l'attività di centinaia di neuroni nella corteccia motoria e in quella sensoriale, le regioni cerebrali che elaborano rispettivamente le informazioni sui movimenti del corpo e sugli input dei cinque sensi. Questa registrazione dell'attività cerebrale avveniva mentre gli animali osservavano su uno schermo un braccio virtuale che afferrava un oggetto.

Schema del primo esperimento con i macachi: Brainet connetteva le attività cerebrali di tre animali (in basso a sinistra), in modo che ciascuno controllasse il movimento di un braccio virtuale su un piano. Ogni macaco vedeva il braccio come se fosse mosso da un macaco in prima persona (in alto a destra) (Credit: Nicoleis et al/Scientific Communications).

Successivamente, le scimmie erano trasferite in stanze separate, dove un computer mostrava la stessa scena del braccio virtuale e dell'oggetto da afferrare. In questo caso però Brainet connetteva il movimento del braccio virtuale agli elettrodi cerebrali degli animali via via coinvolti nelle diverse sessioni.

In una prima sessione, le scimmie erano impegnate a coppie e il movimento del braccio era in uno spazio bidimensionale; Brainet connetteva i cervelli dei macachi al braccio virtuale o in modo che entrambe le scimmie contribuissero per il 50 per cento al movimento nelle due dimensioni (controllo condiviso), o in modo che un macaco controllasse il movimento lungo l'asse X e l'altro lungo l'asse Y (controllo suddiviso). In tutti i casi, per entrambe le scimmie il feedback era esclusivamente visivo ed era l'immagine sullo schermo del movimento completo.

Nella seconda sessione, erano invece coinvolte tre scimmie nel controllo del braccio nello spazio tridimensionale. Grazie a Brainet, ciascuna scimmia poteva controllare i movimenti su uno dei tre piani XY, XZ, YZ, e condivideva quindi il controllo lungo i due assi a lei assegnati con gli altri due animali.

Con un adeguato periodo di addestramento, le scimmie hanno imparato a coordinare i propri comportamenti e le proprie attività neurali, migliorando notevolmente le prestazioni nei test di movimento del braccio virtuale. Inoltre, hanno dimostrato di poter compensare i piccoli errori delle compagne lungo gli assi spaziali condivisi.

Nel secondo studio, Nicolelis e colleghi hanno usato l'interfaccia Brainet per collegare tra loro i cervelli di quattro ratti in modo che ogni cervello ricevesse i segnali prodotti dall'attività elettrica cerebrale degli altri animali. In pratica, mentre nello studio sui macachi gli animali fornivano segnali di output ma ricevevano un feedback solo visivo, in questo secondo studio Brainet registrava e analizzava in tempo reale l'attività corticale del cervello di ciascun ratto e la comunicava, tramite altri elettrodi microstimolatori, al cervello degli altri ratti.

In particolare, i segnali ricevuti erano quelli della corteccia somatosensoriale: quest'area cerebrale è deputata alla localizzazione dello stimolo periferico, alla valutazione della sua intensità, al riconoscimento della forma degli oggetti e alla propriocezione, cioè alla percezione e al riconoscimento della posizione del corpo nello spazio e della contrazione dei muscoli.

Grazie a Brainet, gli autori sono riusciti a sincronizzare tra loro le attività neurali dei roditori, prima deprivandoli dell'acqua, poi sottoponendoli a diversi test: gli animali ricevevano l'acqua come ricompensa solo se tutti fornivano una risposta adeguata.

Con l'integrazione degli input somatosensoriali degli altri ratti, ciascun animale ha risolto alcuni problemi computazionali, come l'elaborazione di immagini, distinguendo tra oggetti bianchi o neri, la memorizzazione e il recupero d'informazioni tattili. Le prestazioni in questo tipo di compiti sono risultate grossomodo le stesse dimostrate da singoli individui.

In questo caso, l'interfaccia Brainet ha dimostrato secondo i ricercatori di poter costituire un nuovo tipo di dispositivo di calcolo, una sorta di "computer organico" che potrebbe avere diverse applicazioni, la prima delle quali è lo studio del comportamento sociale degli animali.