Scienza: "telepatia digitale" fra topi

Un'interfaccia elettronica ha permesso ad una coppia di ratti di scambiare informazioni relativa alla soluzione di semplici problemi comportamentali.

La stampa italiana ho posto l'accento sulla parola telepatia, ipotetica capacità che in realtà ha poco a che fare con l'esperimento condotto in Carolina alla Duke University in collaborazione con i ricercatori brasiliani della  Edmond and Lily Safra International Institute.
Anche io nel titolo ho furbescamente usato il termine telepatia ma ho avuto la decenza di definirla digitale, in maniera che fosse evidente l'impiego di apparati elettronici.
Il successo di questo esperimento apre la porta ( fra le tante) anche a possibili sviluppi nel campo dell'insufficienza motoria umana.

Nel seguito riporto la mia libera interpretazione e correzione della traduzione automatica fornita da Google di un dettagliato articolo divulgativo pubblicato sul sito www.dukehealth.org.

Prima dell'articolo, riporto il seguente servizio (in inglese) del Telegraph che spiega e mostra l'esperimento condotto sulla coppia di ratti.

DURHAM, NC - Alcuni ricercatori della Duke University hanno collegato elettronicamente per la prima volta i cervelli di una coppia di ratti , consentendo loro di comunicare direttamente per risolvere semplici puzzle comportamentali. L'esperimento è stato ripetuto collegando con successo i cervelli di due esemplari a migliaia di chilometri di distanza, uno a Durham, Carolina del Nord, e uno a Natal, Brasile.

I risultati di questi progetti suggeriscono la possibilità futura di collegamento di più cervelli per formare quello che il team di ricerca chiama un "computer biologico", che potrebbe consentire la condivisione di informazioni motorie e sensoriali tra i gruppi di animali. Lo studio è stato pubblicato il 28 febbraio 2013, nella rivista Scientific Reports.

"I nostri studi precedenti con interfacce cervello-macchina ci aveva convinto che il cervello di ratto era molto più plastico di quanto pensassimo" - ha detto Miguel Nicolelis, MD, PhD , principale autore della pubblicazione e professore di neurobiologia presso la Duke University School of Medicine - "In questi esperimenti, il cervello di ratto è stato in grado di adattarsi facilmente ad accettare l'input proveniente da dispositivi esterni al corpo e anche ad imparare come elaborare la  luce infrarossa invisibile generata da un sensore artificiale. Quindi, la domanda che ci siamo posti era: Se il cervello può assimilare segnali provenienti da sensori artificiali, potrebbe anche assimilare informazioni provenienti da sensori impiantati in un altro animale?"

Per verificare questa ipotesi, i ricercatori hanno prima addestrato coppie di ratti a risolvere un problema semplice: premere la leva giusta quando una spia luminosa sopra la leva si accende, ricevendo in premio un sorso d'acqua. Successivamente hanno collegato i cervelli dei due animali con matrici di microelettrodi inseriti nella zona della corteccia che elabora le informazioni motorie.

Uno dei due roditori è stato designato come l'animale encoder. Questo animale ha ricevuto un segnale visivo che ha mostrato la leva giusta da premere in cambio di una ricompensa acqua. Una volta che questo topo encoder preme la leva di destra, un campione della sua attività cerebrale che codifica la sua decisione comportamentale viene tradotto in un pattern di stimolazione elettrica che è stato inviato direttamente al cervello del secondo ratto, noto come animale decoder.

Il ratto decoder ha gli stessi tipi di leve nella sua camera, ma non ha ricevuto alcun segnale visivo che indichi quale leva si deve premere per ottenere una ricompensa.
Pertanto, per premere la leva corretta e ricevere la ricompensa che desiderava, il ratto decoder avrebbe potuto contare solo sulle informazioni trasmesse dall'encoder per mezzo dell'interfaccia cervello-cervello.

I ricercatori hanno poi condotto esperimenti per determinare quanto bene l'animale decoder avrebbe potrebbe decifrare l'input dal cervello di ratto codificatore. Il ratto decoder ha poi raggiunto una percentuale massima di successo di circa il 70%, di poco al di sotto del tasso di successo massimo del 78%, che i ricercatori avevano teorizzato essere il massimo realizzabile sulla base delle percentuali di successo nell'invio di segnali direttamente al cervello del ratto decoder.

È importante sottolineare che la comunicazione fornito dall'interfaccia cervello-cervello è bidirezionale. Per esempio, il ratto encoder non riceve una ricompensa piena se il ratto decoder ha fatto una scelta sbagliata. "Il risultato di questa particolare contingenza - ha detto Nicolelis - ha portato alla creazione di una collaborazione comportamentale tra la coppia di topi.

Abbiamo visto che quando il ratto decoder ha commesso un errore, l'encoder ha sostanzialmente modificato in comportamento ed il funzionamento del suo cervello in maniera da rendere più agevole il compito al suo partner. L'encoder  - prosegue  Nicolelis - migliora il rapporto segnale-rumore della sua attività cerebrale che rappresentava la decisione, in modo che il segnale diventi più pulito e più facile da individuare. E prende una decisione più veloce, più chiara nello scegliere la leva giusta da premere. Invariabilmente, quando il topo encoder  fa queste modifiche, il topo decoder prende più spesso la giusta decisione, in modo che entrambi ottengano una ricompensa migliore."

In una seconda serie di esperimenti, i ricercatori hanno addestrato coppie di ratti a distinguere tra un'apertura  stretta o ampia tramite i loro baffi. Se l'apertura era stretta, è stato loro insegnato a premere con il naso un porta acqua sul lato sinistro della camera per ricevere un premio, mentre nel caso di apertura ampia, dovevano spingere un distributore d'acqua sul lato destro.

I ricercatori hanno poi diviso i ratti in codificatori e decodificatori. I decoder sono stati addestrati ad associare la stimolazione con impulsi alla scelta del premio a sinistra, e l'assenza di impulsi con la scelta del premio a destra. Durante le prove in cui l'encoder ha rilevato la larghezza dell'apertura e trasmesso la scelta al decoder, il decoder ha avuto un tasso di successo di circa il 65 %, significativamente al di sopra della media casuale.

Per verificare i limiti di trasmissione della comunicazione da cervello a cervello, i ricercatori hanno messo un ratto encoder in Brasile, presso la Edmond and Lily Safra International Institute of Neuroscience of Natal (ELS-IINN), e trasmesso i suoi segnali cerebrali tramite Internet a un topo decoder a Durham, Carolina del Nord. Hanno scoperto che i due ratti potrebbero ancora lavorare insieme al compito di discriminazione tattile.

"Quindi, anche se gli animali erano in continenti diversi, con la trasmissione risultante rumorosa e  con ritardi del segnale, essi potevano ancora comunicare", ha detto Miguel Pais-Vieira, PhD, borsista post-dottorato e primo autore dello studio Questo ci dice che potrebbe essere possibile creare una rete funzionante con cervelli animali distribuiti in molti luoghi diversi."

 ha aggiunto Nicolelis - "Questi esperimenti hanno dimostrato la capacità di stabilire un sofisticato, collegamento di comunicazione diretta tra i cervelli dei topi, e che il cervello decoder sta lavorando come sistema di riconoscimento di schemi. Quindi, in pratica, stiamo creando un computer biologico che risolve un puzzle.

Ma in questo caso, non stimo inserendo istruzioni,  ma solo un segnale che rappresenta una decisione presa dal codificatore, che viene trasmesso al cervello del decoder che deve capire come risolvere il puzzle. Quindi, stiamo creando un unico sistema nervoso centrale costituito da due cervelli di ratto ". Nicolelis ha sottolineato che, in teoria, una tale sistema non è limitato ad una coppia di cervelli, ma potrebbe comprendere una rete di cervelli, o brain-net.  Ricercatori della Duke e del ELS-IINN stanno lavorando su esperimenti per collegare più animali che cooperino per risolvere compiti comportamentali più complessi.

"Non possiamo prevedere che tipo di sviluppi possano emergere quando gli animali interagiscono come parte di una rete di cervelli. In teoria, si potrebbe immaginare che una combinazione di cervelli sia in grado di fornire soluzioni che cervelli individuali non possono raggiungere da soli " - ha continuato Nicolelis - "Tale connessione potrebbe anche significare che un animale fa proprie le sensazioni di un altro.

In effetti , i nostri studi della corteccia sensoriale dei ratti decoder in questi esperimenti hanno dimostrato che il cervello del decoder ha cominciato a rappresentare nella sua corteccia tattile non solo i propri baffi, ma anche baffi del topo encoder. Abbiamo rilevato neuroni corticali che hanno risposto ai  baffi di entrambi, il che significa che il ratto ha creato una seconda rappresentazione di un secondo corpo al di sopra del proprio." Studi di base di tali adeguamenti potrebbero portare a un nuovo campo che Nicolelis chiama neurofisiologia dell'interazione sociale.

Tali complessi esperimenti sono stati resi possibili dalla capacità dei laboratori di registrare i segnali del cervello da quasi 2.000 cellule cerebrali in una sola volta. I ricercatori sperano, nei prossimi cinque anni. di riuscire a registrare l'attività elettrica prodotta contemporaneamente da 10-30.000 neuroni corticali.

Tale massiccia registrazione dell'attività del cervello consentirà un controllo più preciso delle neuroprotesi motorie, come quelle in fase di sviluppo da parte del Walk Again Project, che mirano a restituire il controllo motorio alle persone paralizzate.

Il Progetto Cammina di Nuovo ha recentemente ricevuto 20 milioni di dollari di sovvenzione da FINEP, un agenzia brasiliana per fondi alla ricerca, per consentire lo sviluppo del primo esoscheletro di un corpo intero controllato da un cervello mirato a ripristinare la mobilità in pazienti gravemente paralizzati. Una prima dimostrazione di questa tecnologia è prevista per la partita di apertura della Mondiali di calcio 2014 in Brasile.   [...]


Articolo originale in inglese:
http://www.dukehealth.org/health_library/news/brain-to-brain-interface-allows-transmission-of-tactile-and-motor-information-between-rats

Articolo più tecnico indicato solo per specialisti:
A Brain-to-Brain Interface for Real-Time Sharing of Sensorimotor Information - nature.com - Scientific Reports