Il ricercatore dell’IIT Luca Berdondini alla Scuola Superiore di Catania: migliaia di neuroni osservati contemporaneamente, interfacce cervello-macchina e microdispositivi wireless aprono nuove prospettive per la ricerca e la medicina
«Il vero salto tecnologico risiede nella quantità di informazioni che oggi possiamo raccogliere dal cervello. Finora le tecnologie utilizzate per osservare l’attività cerebrale consentivano generalmente di registrare poche cellule, nell’ordine di qualche decina o, nei casi più avanzati, di qualche centinaio. Oggi, grazie alla tecnologia SiNAPS, siamo invece in grado di osservare contemporaneamente l’attività di migliaia di cellule. È un cambiamento radicale per la ricerca neuroscientifica, ma anche una grande opportunità per sviluppare interfacce cervello-macchina capaci, per esempio, di interpretare l’intenzione di compiere un movimento e tradurla in un comando per un dispositivo esterno. Questo potrebbe consentire di restituire alcune capacità motorie, di comunicazione o di interazione con l’ambiente a persone che le hanno perdute».
È questa la frontiera della neurotecnologia al centro dell’intervento di Luca Berdondini, Senior Researcher Tenured e Principal Investigator alla Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, che alla Scuola Superiore dell’Università di Catania ha illustrato le potenzialità della neuroelettronica e delle tecnologie microelettroniche applicate allo studio del sistema nervoso.
Introdotto dalla presidente della Ssc Ida Nicotra e dal prof. Renato Bernardini, farmacologo e coordinatore del Master in Governance del Trial clinico, Berdondini ha incontrato allievi della Scuola, studenti del Master e numerosi docenti nell’aula magna di Villa San Saverio, sede della Scuola di eccellenza, nell’ambito di un colloquium dedicato alle più recenti frontiere della neurotecnologia. Tecnologie inizialmente sviluppate per la ricerca di base stanno infatti entrando progressivamente anche nell’ambito clinico, aprendo nuove prospettive per la diagnostica neurologica, il monitoraggio intraoperatorio, le interfacce cervello-macchina e lo sviluppo di nuovi approcci per le patologie del sistema nervoso centrale e periferico.
In foto da sinistra Renato Bernardini, Luca Berdondini e Ida Nicotra
Al centro dell’incontro la piattaforma neurotecnologica SiNAPS, basata su dispositivi CMOS di tipo Active Pixel Sensor (APS) per l’interfacciamento neurale, attualmente sviluppata principalmente su modelli animali. Berdondini ha illustrato i principi alla base delle sonde impiantabili per applicazioni in vivo, soffermandosi sulle sfide legate all’acquisizione e alla gestione di segnali neurali ad alta densità, alla miniaturizzazione dei dispositivi, alla biocompatibilità e alla stabilità degli impianti cronici.
«SiNAPS – ha spiegato Berdondini – nasce dalla combinazione della microelettronica, un settore nel quale Catania ha competenze e una tradizione importanti, con le tecnologie di micro e nanofabbricazione. Possiamo immaginarla come un enorme array di pixel, simile a quello presente nella fotocamera del nostro smartphone. La differenza è che, invece di essere sensibile alla luce, ogni pixel è sensibile ai segnali bioelettrici generati dalle cellule nervose. È un po’ come avere migliaia di piccoli microfoni, ciascuno dei quali può “ascoltare” l’attività di una singola cellula».
Pixel estremamente piccoli consentono infatti di integrarne migliaia in uno spazio molto ridotto, aumentando in maniera radicale il numero di cellule osservabili e la risoluzione con cui è possibile studiarne l’attività. «È un approccio che abbiamo sviluppato attraverso oltre vent’anni di ricerca – ha proseguito – e che oggi sta progressivamente uscendo dai laboratori per entrare anche nell’ambito della ricerca clinica, grazie all’azienda che abbiamo fondato, Corticale».
Il pubblico presente nell'aula magna della Ssc
La tecnologia SiNAPS è già utilizzata da numerosi gruppi di ricerca a livello internazionale, dagli Stati Uniti all’Europa, fino all’Asia e alla Cina, che hanno acquisito la tecnologia sviluppata da Corticale per le proprie attività scientifiche. Sono, inoltre, in corso collaborazioni con partner impegnati nello sviluppo delle applicazioni cliniche e la rete è in continua crescita, anche in Italia.
«Mi auguro che questa rete possa ampliarsi ulteriormente, soprattutto da noi – ha osservato il ricercatore -. Il nostro Paese possiede, infatti, competenze scientifiche, tecnologiche e cliniche che potrebbero consentirgli di svolgere un ruolo di primo piano, anche a livello europeo, in questo settore».
Dalla capacità di osservare un numero sempre maggiore di neuroni si apre così la strada a nuove possibilità di interazione tra cervello e dispositivi artificiali. «La comprensione del sistema nervoso rimane una delle grandi sfide dell’umanità – ha sottolineato Berdondini – e tecnologie come SiNAPS possono permetterci di compiere passi importanti nella comprensione del modo in cui funziona il cervello».
L'intervento di Luca Berdondini
Ma la ricerca non si ferma alla comprensione. «Stanno diventando sempre più concrete le applicazioni nel campo delle interfacce cervello-macchina. Non penso soltanto agli ausili destinati a persone che hanno perso capacità motorie, ma anche ai sistemi capaci di interpretare ciò che una persona intende comunicare e trasformarlo in parole o testo. Sono le cosiddette language BCI, cioè interfacce cervello-macchina dedicate al linguaggio, un settore nel quale sono già in corso sviluppi molto significativi a livello internazionale».
In questo scenario, la miniaturizzazione rappresenta uno degli elementi chiave. «SiNAPS può offrire opportunità ulteriori proprio grazie al suo elevato livello di miniaturizzazione e alla possibilità di acquisire simultaneamente l’attività di un numero molto elevato di neuroni. Questo rappresenta un importante passaggio tecnologico», ha spiegato Berdondini.
Il passaggio dalla ricerca alla clinica, tuttavia, richiede un confronto tra competenze diverse. Ingegneri, neuroscienziati, neurochirurghi, clinici, esperti degli aspetti regolatori ed esperti di bioetica sono chiamati a lavorare insieme per affrontare una transizione complessa. «Dobbiamo imparare a lavorare insieme e a parlare un linguaggio comune – ha insistito Berdondini -. È anche una delle ragioni per cui sono qui oggi, alla Scuola Superiore: creare occasioni di confronto interdisciplinare è fondamentale per trasformare una tecnologia molto promettente in una tecnologia realmente utile alle persone».
Il pubblico presente alla conferenza del dott. Berdondini
Un “granello di sabbia” per ascoltare il sistema nervoso
Tra le frontiere più ambiziose della neurotecnologia c’è la dust neuroelectronics, basata su microdispositivi wireless sempre più piccoli e meno invasivi. «È un filone che nasce negli Stati Uniti nel 2012 e parte da un’idea estremamente ambiziosa: realizzare dispositivi delle dimensioni di un granello di sabbia, capaci di rilevare e “ascoltare” i segnali bioelettrici del sistema nervoso, eventualmente di stimolarlo e di comunicare con l’esterno senza fili, ricevendo anch’essi energia in modalità wireless».
Un obiettivo ancora lontano e tecnologicamente complesso. Berdondini è partner di CrossBrain, progetto europeo coordinato dall’Università di Roma Tor Vergata che affronta proprio queste problematiche. «Oggi molte delle tecnologie necessarie per realizzare dispositivi così piccoli non sono ancora disponibili e, in particolare, capire come alimentare e far comunicare un dispositivo di dimensioni tanto ridotte rappresenta una sfida tecnologica enorme».
Accanto alle sfide tecnologiche, emergono però anche quelle etiche. «Dobbiamo porci con grande attenzione il problema delle implicazioni etiche, che coinvolge più in generale tutte le interfacce cervello-macchina. Le BCI possono avere effetti estremamente positivi e contribuire a migliorare la qualità della vita di moltissime persone, ma dobbiamo essere consapevoli anche dei possibili rischi e delle conseguenze indesiderate».
Tra i temi al centro del dibattito figurano la protezione dei dati, la tutela della capacità decisionale dell’individuo e, nel caso dei sistemi capaci di stimolare il sistema nervoso, il principio di autodeterminazione. Per Berdondini, questi aspetti devono essere considerati fin dalle prime fasi della progettazione.
Si parla, non a caso, di privacy by design: sviluppare una tecnologia incorporando direttamente nel dispositivo la tutela della privacy e dei diritti della persona, anziché introdurla successivamente come elemento correttivo. «La sfida, quindi, non è soltanto riuscire a costruire dispositivi sempre più piccoli e potenti. È sviluppare tecnologie capaci di migliorare concretamente la vita delle persone, mantenendo al centro la loro autonomia, la loro privacy e i loro diritti».
Il prof. Luca Berdondini ricevuto dalla presidente della Scuola Superiore di Catania, Ida Nicotra