Dai cervelli elettronici al potere della mente

È una lunga storia quella che collega le tecnologie dell'informazione con il cervello umano: la solita descrizione semplice di un computer è che "è una specie di cervello elettronico". I computer sono però presto diventati così onnipresenti, che oggi spesso si descrive il cervello dicendo che "è una specie di computer biologico".

Commentando l'annuncio di quest'anno di 150 milioni di euro in finanziamenti per i progetti di ricerca TIC legati al cervello, Neelie Kroes, vicepresidente della Commissione europea, responsabile dell'Agenda digitale per l'Europa, ha detto: "Nonostante i grandi progressi fatti negli ultimi decenni, c'è ancora molto da scoprire: dai computer che pensano come il nostro cervello (come le reti di computer che riproducono la struttura del cervello per gestire meglio i "grandi dati"), alla diagnosi e la cura di malattie mentali che colpiscono fino a un terzo degli europei ogni anno, dall'Alzheimer all'autismo e la schizofrenia".

Scatola cerebrale

Capire il cervello umano è quindi una delle maggiori sfide della scienza del XXI secolo. Nuovi e ambiziosi progetti nell'UE, Future and Emerging Technology scheme (FET) Flagship "Human Brain Project" (HBP) e negli Stati Uniti, il progetto BRAIN, stanno tentando di superare questa sfida, con la speranza di acquisire conoscenze approfondite di quello che ci rende umani, sviluppare nuove cure per le malattie cerebrali e creare nuove tecnologie di calcolo rivoluzionarie.

Il primo obiettivo di HBP è costruire un sistema integrato di piattaforme di ricerca basate sulle TIC, che fornisca a neuroscienziati, ricercatori medici e sviluppatori di tecnologie accesso agli strumenti e ai servizi innovativi capaci di accelerare notevolmente il passo della loro ricerca. Il progetto riceverà circa 1 miliardo di euro di finanziamenti in 10 anni e lavorerà a stretto contatto con la nuova iniziativa del presidente Obama sulla "mappatura dell'attività del cervello" (Brain Activity Mapping, BAM), del valore di 100 milioni di dollari solo nel primo anno.

Il secondo obiettivo di HBP è dare inizio e guidare un impegno collaborativo globale che usi tali piattaforme per affrontare questioni fondamentali nel campo della neuroscienza, della medicina e dell'informatica. Il risultato finale dovrebbe essere non solo una nuova comprensione del cervello ma anche nuove TIC trasformazionali. Per esempio, il cervello gestisce miliardi di unità di elaborazione collegate per mezzo di chilometri di fibre e trilioni di sinapsi, ma consuma la stessa quantità di energia di una lampadina. Capire questo potrebbe trasformare la potenza dei computer e aiutare a costruire una nuova infrastruttura TIC.

Scatole cerebrali: gli umani aiutano i computer

Sappiamo tutti che la vita moderna ci mette di fronte a una vertiginosa gamma di informazioni, dai supermercati alla pubblicità online, e spesso ci richiede di prendere velocemente una decisione in strade trafficate o negozi affollati. Forse sorprendentemente, queste sfide presentano delle somiglianze in una serie di campi scientifici, come l'astronomia, la neuroscienza, l'archeologia, la storia e l'economia.

In tutti questi campi gli esperti devono comprendere e trovare un significato in insiemi di dati molto grandi e complessi. Il progetto CEEDS sta lavorando a nuovi strumenti per l'interazione uomo-computer (human-computer interaction o HCI) che ha lo scopo di aiutare il processo decisionale quotidiano e l'analisi delle informazioni scientifiche. L'approccio del team usa nuovi sistemi di "realtà sintetica" (RS) per aiutare le persone a navigare in grandi insiemi di dati in modo consapevole, sfruttando allo stesso tempo il potere e il potenziale della mente inconsapevole.

Siamo consapevoli solo di un piccolo sottoinsieme delle informazioni che riceviamo dai nostri sensi, ma il nostro cervello elabora anche il resto, e siamo molto bravi a rilevare gli schemi inconsciamente. CEEDS ha quindi in programma di cercare segni di scoperta o sorpresa in questi processi inconsci, usando tecnologie indossabili che misurino le reazioni della gente alla visualizzazione di grandi insiemi di dati in ambienti di RS. Il sistema dirigerà poi gli utenti verso aree di potenziale interesse nella visualizzazione e guiderà la scoperta da parte loro di schemi e significati negli insiemi di dati.

Sbloccando il potere del subconscio, CEEDS aiuterà gli utenti a trovare schemi o segnali nascosti in grandi quantità di dati. Questa nuova "tecnologia confluente", nella quale il computer e l'utente sono parti integrate di un sistema, potrebbe persino permettere a molti utenti di collegarsi tra di loro e creare un sistema di scoperta collettivo.

CEEDS sta aiutando i computer e gli esseri umani a lavorare insieme, mentre il progetto BRAINSCALES sta aiutando i computer a "pensare" di più come gli esseri umani. Il nostro cervello lavora in diverse scale simultaneamente: da singoli neuroni a grandi aree dedicate a funzioni come la vista o l'olfatto e da millisecondi (reazioni fisiche) a ore o giorni (apprendimento). Il team del progetto sta usando simulazioni al computer ultra veloci per costruire "una sintesi artificiale di abilità cognitive simili a quelle corticali" e sta sviluppando un'"architettura hardware non-von Neumann".

I computer tradizionali si basano sull'architettura "von Neumann" che ci è familiare perché è quella presente nei nostri PC e usa unità di memoria/immagazzinamento ed elaborazione separate. Impiegando però strutture che imitano il funzionamento multi-scala del cervello umano, il team ha progettato un dispositivo di calcolo non-von Neumann. Oltre ad avere applicazioni al di fuori del reame della scienza del cervello, questo lavoro svolto da progetto BRAINSCALES ha aiutato la preparazione del FET Human Brain Project .

Allo stesso modo, il progetto REALNET mira a sviluppare il primo modello realistico in tempo reale del "cerebellum", una parte del cervello con un importante ruolo nel controllo motorio e coinvolta nelle funzioni cognitive come l'attenzione e il linguaggio. Il team sta sviluppando specifici chip e tecniche di imaging per fare registrazioni neurofisiologiche dei neuroni nel cerebellum.

Il risultato finale sarà una realistica rete neuronale basata su dati anatomici e fisiologici, collegata a robot simulati e reali per valutare il suo funzionamento. REALNET ha lo scopo di fornire una visione radicalmente nuova del calcolo svolto nei circuiti centrali del cervello e pone le basi per nuove applicazioni tecnologiche nella rilevazione, il controllo motorio e i sistemi cognitivi.

Controllo con la mente: i computer aiutano gli umani

Oltre a imparare come funziona il cervello e copiarlo, la ricerca TIC sul cervello sta lavorando per realizzare un sogno antico quanto le favole e i sogni a occhi aperti: controllare il mondo fisico con la mente, muovere gli oggetti usando soltanto il pensiero.

Uno dei maggiori contributi che la ricerca sul cervello potrebbe dare è aiutare le vittime di incidenti stradali costretti su una sedia a rotelle o le persone che soffrono di paralisi totale o della sindrome locked-in. Milioni di europei hanno una qualche forma di disabilità motoria che limita la loro capacità di muoversi, interagire o comunicare con gli altri.

Il progetto BRAINABLE è un'iniziativa triennale finanziata dall'UE con 2,3 milioni di euro per sviluppare e integrare sistemi avanzati di "interfaccia cervello-computer" (brain-computer interface o BCI), "intelligenza ambientale", "realtà virtuale" e altre tecnologie che, quando usate insieme, promettono un'autonomia senza precedenti per chi ha tali disabilità.

"Il nostro obiettivo è dare alle persone che hanno disabilità motorie quanta più autonomia possibile sulla base della tecnologia attuale e migliorare quindi significativamente la loro qualità di vita", dice Felip Miralles del Centro di tecnologia digitale di Barcellona, un centro di ricerca spagnolo sulle TIC, che sta coordinando il progetto.

Associando BCI e altre tecnologie assistive, i ricercatori hanno dato la possibilità agli utenti di controllare a distanza un robot e manovrarlo per la casa migliorando così la capacità di questi pazienti di comunicare con le persone. I ricercatori di BRAINABLE stanno superando le basse velocità di reazione dei sistemi precedenti integrando intelligenza nella loro piattaforma, in modo che il sistema capisca il contesto e le abitudini dell'utente e possa agire in modo proattivo. La piattaforma permette persino un accesso semplificato alle piattaforme di social network come Twitter e Facebook, che stanno diventando strumenti sempre più importanti per aiutare le persone disabili a superare l'isolamento sociale.

In un'altra importante applicazione della tecnologia di BCI, il progetto finanziato dall'UE MINDWALKER potrebbe aiutare migliaia di persone in Europa paralizzati da una lesione al midollo spinale. L'esoscheletro robotico del progetto controllato dalla mente dovrebbe aiutare queste persone a camminare di nuovo e potrebbe anche aiutare la riabilitazione di chi ha avuto un ictus o degli astronauti che devono ricostruire i muscoli dopo lunghi periodi nello spazio.

La maggior parte dei sistemi di BCI sono invasivi, con elettrodi posizionati direttamente nel tessuto cerebrale, o richiedono che l'utente indossi un casco "bagnato" sulla testa, che usa speciali gel per ridurre la resistenza elettrica. MINDWALKER usa una tecnologia "asciutta" nella quale l'elettronica amplifica e ottimizza i segnali del cervello.

"Il cappello EEG asciutto può essere indossato dal soggetto stesso in meno di un minuto, come una cuffia per il nuoto", spiega Michel Ilzkovitz, il coordinatore del progetto presso la Space Application Services in Belgio.

Inoltre il team del progetto ha sviluppato una nuova strategia di camminata che differisce dalla maggior parte degli esoscheletri sviluppati in precedenza, i quali sono progettati per essere in equilibrio quando sono fermi e per muoversi lentamente a passi molto piccoli. MINDWALKER usa una perdita di equilibrio controllata nella direzione verso la quale si cammina che imita il modo in cui gli esseri umani camminano naturalmente.

"Questo approccio si chiama 'camminata a ciclo limitato' ed è stata usata mediante un 'modello di controllo previdente' per prevedere il comportamento dell'utente e dell'esoscheletro e per controllare l'esoscheletro durante la camminata", spiega Ilzkovits. Una maggiore efficienza significa che l'esoscheletro ha un raggio più lungo e batterie più leggere.

Le disabilità fisiche non solo limitano la mobilità, possono anche lasciare le persone socialmente isolate e impossibilitate a sfruttare la maggior parte del mondo moderno in rete. Il progetto ASTERICS ha sviluppato una piattaforma di sostegno che facilita e migliora la comunicazione per le persone con disabilità motorie negli arti superiori associando BCI e visione artificiale con attuatori di base per controllare un sistema di computer.

Alla sua conclusione, nel dicembre 2012, il progetto aveva sviluppato un prodotto che permette l'accesso a dispositivi diversi, come PC, telefoni cellulari e dispositivi di smart-home, con le funzionalità integrate in una piattaforma che si può adattare per ogni utente. È disponibile sia come software open-source che come dispositivo pre-configurato venduto attraverso dei distributori.

Questo tipo di protesi ha le potenzialità per cambiare in meglio la vita di migliaia di persone. Nella seconda parte di questo articolo esamineremo altre applicazioni mediche della ricerca TIC legata al cervello finanziata dall'Unione europea.

I progetti citati in questo articolo sono stati sostenuti dal meccanismo di supporto per le politiche TIC del Programma quadro per l'innovazione e la competitività (CIP) o dal Settimo programma quadro (7° PQ) per la ricerca.

Collegamento al progetto su CORDIS:

- 7° PQ su CORDIS
- Scheda informativa del progetto CEEDS su CORDIS
- Scheda informativa del progetto BRAINSCALES su CORDIS
- Scheda informativa del progetto REALNET su CORDIS
- Scheda informativa del progetto BRAINABLE su CORDIS
- Scheda informativa del progetto MINDWALKER su CORDIS
- Scheda informativa del progetto ASTERICS su CORDIS

Collegamento al sito web del progetto:

- Sito web del progetto HUMAN BRAIN
- Sito web del progetto "Collective experience of empathic data systems"
- Sito web del progetto "Brain-inspired multiscale computation in neuromorphic hybrid systems"
- Sito web del progetto "Realistic real-time networks: computation dynamics in the cerebellum"
- Sito web del progetto "Autonomy and social inclusion through mixed reality "brain-computer interfaces": Connecting the disabled to their physical and social world"
- Sito web del progetto "Mind controlled orthosis and VR training environment for walk empowering"
- Sito web del progetto "Assistive technology rapid integration and construction set"

Collegamenti a notizie e articoli correlati:

- Post sul blog del commissario Kroes sul mese europeo del cervello: "the EU and US putting our grey matter together"
- Comunicato stampa della CE: Al via il "mese europeo del cervello": 150 milioni di euro per la ricerca sul cervello
- Memo Q&A della CE: domande e risposte sul "mese europeo del cervello"
- Sito web della CE sul "mese europeo del cervello", maggio 2013
- Eventi come parte del "mese europeo del cervello", maggio 2013
- "Un'interfaccia avanzata cervello-computer per garantire ai disabili un'autonomia senza precedenti"
- "Un esoscheletro controllato dalla mente per aiutare le persone disabili a camminare di nuovo"

Altri collegamenti:

- Sito web dell'Agenda digitale della Commissione europea