La prossima frontiera per Neuralink è la vista artificiale / The next frontier for Neuralink is artificial vision

La prossima frontiera per Neuralink è la vista artificiale / The next frontier for Neuralink is artificial vision

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

La società biotech di Elon Musk è solo una delle organizzazioni che stanno sviluppando dei dispositivi per permettere alle persone cieche di tornare a vedere grazie a degli impianti cerebrali.

Nel febbraio 2022 il 56enne Brian Bussard è diventato il primo partecipante di uno studio innovativo. L'obiettivo era testare un dispositivo wireless progettato per ripristinare parzialmente la vista nelle persone non vedenti. All'uomo sono stati così impiantati 25 piccoli chip nel cervello, l'ultima speranza per tornare a vedere.

Bussard aveva perso la vista dall'occhio sinistro all'età di 17 anni a causa di un distacco della retina. Nel 2016 lo stesso problema ha poi colpito anche l'occhio destro, lasciandolo completamente cieco. "È stata la cosa più difficile che abbia mai affrontato", ammette l'uomo, ricordando il momento in cui la sua percezione del mondo è cambiata radicalmente (anche se alla fine ammette di aver imparato ad adattarsi alla condizione).

Le sperimentazioni nel mondo

Tutto questo fino al 2021, quando Bussard ha sentito parlare di una protesi visiva dell'Illinois Institute of Technology di Chicago. I ricercatori lo avevano avvisato che si trattava di un dispositivo ancora in fase di sperimentazione e che non doveva aspettarsi di riacquistare completamente la vista. L'uomo però ha deciso di iscriversi comunque al programma e ora grazie a dei chip nel cervello ha riacquistato la vista, seppur artificiale molto limitata, che descrive come simile ad un "bip su uno schermo radar". L'impianto gli permette di percepire persone e oggetti sotto forma di punti bianchi e iridescenti.

Bussard è al momento uno delle poche persone cieche al mondo ad aver rischiato un intervento chirurgico al cervello per installare una protesi visiva. In Spagna, i ricercatori dell'Università Miguel Hernández hanno impiantato un sistema simile in quattro persone, il culmine di decenni di ricerca.

L'interesse per queste sperimentazioni non si limita però al mondo accademico ed è arrivata anche all'industria. L'azienda californiana Cortigent per esempio sta sviluppando un dispositivo chiamato Orion dedicato ai non vedenti, che è stato impiantato in sei volontari. Ma anche la più famosa Neuralink di Elon Musk sta lavorando ad un impianto cerebrale per la vista. In un post su X di marzo, l'imprenditore ha dichiarato che il dispositivo della sua azienda, chiamato Blindsight, “funziona già nelle scimmie”. "All'inizio la risoluzione sarà bassa, come la grafica dei primi Nintendo, ma alla fine potrebbe superare la normale vista umana".

La previsione di Musk tuttavia sembra abbastanza improbabile, considerando che la vista è un meccanismo biologico altamente complesso. Ci sono enormi barriere tecniche per migliorare la qualità di ciò che le persone sono in grado di vedere con un impianto cerebrale. Detto questo, in alcuni casi la sola implementazione di una vista rudimentale potrebbe fornire alle persone non vedenti una maggiore indipendenza nella vita di tutti i giorni. "Non si tratta di recuperare la vista biologica – dice Philip Troyk, professore di ingegneria biomedica all'Illinois Tech, che guida lo studio a cui ha partecipato Bussard – ma di esplorare cosa potrebbe essere la vista artificiale".

Come funziona la vista artificiale

Da una prospettiva fisico-biologica la vista è il risultato di un processo che prevede diversi passaggi. Quando la colpisce l'occhio, la luce passa prima attraverso la cornea ed il cristallino, gli strati esterni e centrali dell'occhio. Solo a questo punto raggiunge la parte posteriore dell'occhio, la retina, una membrana composta da cellule chiamate fotorecettori in grado di convertire la luce in segnali elettrici. Questi segnali viaggiano poi attraverso il nervo ottico fino al cervello, che li interpreta come immagini. In assenza della retina o del nervo ottico, gli occhi non possono comunicare con il cervello. Questo è il caso di molte persone affette da cecità totale. I dispositivi che Troyk e Musk stanno costruendo bypassano completamente l'occhio ed il nervo ottico, inviando le informazioni direttamente al cervello. Per questo motivo, sono potenzialmente in grado di porre rimedio a qualsiasi causa di cecità, che si tratti di malattie oculari o di traumi.

La regione del cervello che elabora le informazioni ricevute dagli occhi è chiamata corteccia visiva. La sua posizione, nella parte posteriore della testa, la rende facilmente accessibile per un impianto. Per inserire i 25 chip nel cervello di Bussard, stimolatori miniaturizzati che emettono una leggera corrente elettrica, i chirurghi hanno eseguito una craniotomia. Ogni chip ha le dimensioni di un gommino di quelli che si trovano sulle matite e contiene 16 minuscoli elettrodi, più sottili di un capello umano e controllabili individualmente.

Complessivamente, Bussard ha 400 elettrodi impiantati: "È come una rete cellulare nel cervello", spiega il responsabile dello studio. Una telecamera montata su un paio di occhiali riprende l'ambiente circostante. Le immagini vengono elaborate con uno speciale software e tradotte in comandi che comunicano con la rete di chip, accendendo i singoli elettrodi per stimolare i neuroni. La stimolazione produce percezioni visive chiamate fosfeni, che assomigliano a puntini luminosi, senza che la luce raggiunga effettivamente l'occhio. Poiché gli stimolatori sono raggruppati in parte della corteccia visiva, Bussard vede i fosfeni solo nella parte inferiore sinistra del suo campo visivo. Ma tutto questo è sufficiente per migliorare la sua capacità di orientarsi in una stanza e consentirgli di svolgere compiti di base, come individuare un piatto tra quattro oggetti diversi su un tavolo.

La tecnologia del futuro

Produrre immagini migliori è una delle sfide principali di questi sistemi: "Più elettrodi si hanno, più fosfeni si potrebbero produrre in teoria, e più forme complesse si potrebbero generare artificialmente", spiega Xing Chen, assistente di oftalmologia all'Università di Pittsburgh. L'anno scorso, Chen ed i suoi colleghi hanno pubblicato uno studio su una protesi visiva creata con 1024 elettrodi. Quando hanno testato il sistema nelle scimmie, gli animali sono riusciti a riconoscere lettere generate artificialmente. Per ripristinare una forma di vista nelle persone, il numero di elettrodi necessari vanno dalle centinaia alle migliaia, a seconda delle stime. Ma Troyk, il responsabile dello studio a cui si è sottoposto Brian Bussard, ritiene che l'importante non sia tanto il numero di elettrodi, quanto la loro collocazione: distribuendoli sulla corteccia visiva si potrebbero produrre più punti luminosi in un campo visivo più ampio. Il rovescio della medaglia, però, potrebbe essere un intervento chirurgico più invasivo.

Nello studio dell'Università Miguel Hernández in Spagna, i volontari hanno ricevuto un solo dispositivo contenente 100 elettrodi. Ciononostante anche questo sistema ha permesso a una donna di 60 anni di identificare linee, forme e semplici lettere, secondo i risultati pubblicati nel 2021. I ricercatori hanno poi replicato lo studio in altri tre volontari ciechi, spiega Eduardo Fernández, il neuroscienziato a capo della ricerca, il cui obiettivo principale è migliorare l'orientamento e la mobilità delle persone non vedenti. In un test, un soggetto che indossa la protesi è in grado di evitare gli oggetti mentre cammina su un tapis roulant davanti a uno schermo video per la realtà virtuale. In futuro, Fernández vuole aggiungere altri elettrodi per aumentare il numero di fosfeni e produrre immagini più dettagliate. Per ora, il suo gruppo sta imparando molto dai quattro volontari iniziali dello studio. La corteccia visiva di ognuno dei partecipanti è un po' diversa, quindi i ricercatori devono sperimentare diverse strategie per trovare il migliore posizionamento degli elettrodi e la quantità di stimolazione elettrica da erogare: "Personalizziamo la stimolazione per ogni volontario", dice Fernández.

Le sfide della vista artificiale

Adattare gli impianti in modo da ottenere prestazioni ottimali non è semplice. Nei primi esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato grandi elettrodi posizionati sulla superficie del cervello, che necessitavano di correnti elettriche relativamente elevate per produrre fosfeni. Per questo motivo la stimolazione a volte causava convulsioni, dolore e danni al tessuto cerebrale. Secondo Chen, è necessario trovare un equilibrio tra la necessità di una corrente abbastanza forte che produca fosfeni senza causare effetti collaterali indesiderati.

Un altro ostacolo è la longevità dei dispositivi impiantati nel cervello. Negli studi di Pittsburgh e dell'università spagnola, i ricercatori hanno utilizzato un dispositivo rigido chiamato Utah array, una griglia quadrata con 100 piccoli aghi di silicio, ciascuno con un elettrodo sulla punta. Questo modello può durare da mesi ad anni, ma c'è il rischio che possa smettere di funzionare quando si forma del tessuto cicatriziale intorno all'impianto, che interferisce con la sua capacità di captare i segnali dei neuroni vicini. Gli impianti del gruppo dell'Università dell'Illinois assomigliano alle teste di spazzole in miniatura e sono fatti di ossido di iridio. Neuralink ed altre aziende stanno sviluppando dispositivi con elettrodi più piccoli e flessibili in grado di penetrare nel cervello. Per esempio, il devide di Neuralink, a forma di moneta, si inserisce nel cranio con elettrodi sottili e filiformi che si estendono nel tessuto cerebrale. Secondo Chen, elettrodi più morbidi possono potenzialmente allungare la vita di un impianto, anche se resta da capire quanto riusciranno a durare all'interno di un cervello.

Un'altra domanda senza risposta è se la durata della cecità di una persona possa influenzare il funzionamento di questi dispositivi. Il primo partecipante allo studio spagnolo era cieco da 16 anni eppure era in grado di distingure forme grezze, mentre Bussard è completamente cieco da solo sei anni. "Sappiamo che dopo anni di cecità il sistema visivo inizia a degenerare – afferma Chen –, è possibile che sia meglio intervenire il prima possibile, anche se questo aspetto deve essere ancora studiato e dimostrato sistematicamente".

Durante un evento del 2022, Musk ha affermato che attraverso i suoi dispositivi "chiunque potrà ottenere la vista, anche chi è nato cieco”. Altri esperti, come Fernández, sono più cauti ed evidenziano che il ripristino della vista in una persona cieca dalla nascita non è mai stato tentato. Questo perché, in teoria, affinché sia possibile una persona dovrebbe avere una corteccia visiva funzionante. Ma le persone nate cieche non hanno mai utilizzato questa parte del cervello per elaborare le informazioni visive.

Al momento, Bussard si limita ad usare la sua protesi visiva in laboratorio, dove i ricercatori possono controllare la stimolazione. Troyk ed i suoi colleghi stanno lavorando ad un sistema mobile che permetta ai futuri partecipanti allo studio di usare il dispositivo anche a casa. Troyk sta cercando altri volontari, che siano diventati ciechi da adulti ma che abbiano avuto una vista normale o quasi almeno per i primi 10 anni di vita. Nello studio spagnolo, la protesi visiva viene impiantata per sei mesi prima di essere rimossa. Bussard dice che gli piacerebbe usare il dispositivo anche al di fuori del laboratorio. Ha un cane sordo e parzialmente cieco e scherza sul fatto che sarebbe molto più facile trovarlo se potesse usare l'impianto a casa. Ma è consapevole del fatto che potrebbe non avere l'occasione di trarre grandi benefici dal dispositivo nel corso della sua vita: “Non lo faccio necessariamente per me – racconta –, ma per le generazioni future".

ENGLISH

Elon Musk's biotech company is just one of the organizations that are developing devices to allow blind people to see again thanks to brain implants.

In February 2022, 56-year-old Brian Bussard became the first participant in a groundbreaking study. The goal was to test a wireless device designed to partially restore vision in blind people. The man was thus implanted with 25 small chips in his brain, his last hope for seeing again.

Bussard had lost the sight in his left eye at the age of 17 due to a detached retina. In 2016, the same problem also affected his right eye, leaving him completely blind. “It was the hardest thing he had ever faced,” admits the man, recalling the moment in which his perception of the world changed radically (although in the end he admits that he learned to adapt to the condition).

Experiments around the world

That is until 2021, when Bussard heard about a visual prosthesis at the Illinois Institute of Technology in Chicago. The researchers had warned him that it was a device still in the testing phase and that he should not expect to fully regain his sight. However, the man decided to enroll in the program anyway and now, thanks to chips in his brain, he has regained his sight, albeit a very limited artificial one, which he describes as similar to a "beep on a radar screen". The implant allows him to perceive people and objects in the form of white, iridescent dots.

Bussard is currently one of the few blind people in the world to have risked brain surgery to install a visual prosthesis. In Spain, researchers at Miguel Hernández University implanted a similar system in four people, the culmination of decades of research.

However, the interest in these experiments is not limited to the academic world and has also reached industry. The Californian company Cortigent, for example, is developing a device called Orion dedicated to the blind, which has been implanted in six volunteers. But Elon Musk's more famous Neuralink is also working on a brain implant for vision. In a post on X in March, the entrepreneur said that his company's device, called Blindsight, "already works in monkeys." “At first the resolution will be low, like early Nintendo graphics, but eventually it may exceed normal human vision.”

Musk's prediction, however, seems quite unlikely, considering that vision is a highly complex biological mechanism. There are huge technical barriers to improving the quality of what people are able to see with a brain implant. That said, in some cases just implementing rudimentary vision could provide blind people with greater independence in everyday life. "It's not about recovering biological sight – says Philip Troyk, professor of biomedical engineering at Illinois Tech, who leads the study in which Bussard participated – but about exploring what artificial sight could be."

How artificial vision works

From a physical-biological perspective, sight is the result of a process that involves several steps. When it hits the eye, the light first passes through the cornea and lens, the outer and central layers of the eye. Only at this point does it reach the back of the eye, the retina, a membrane made up of cells called photoreceptors capable of converting light into electrical signals. These signals then travel through the optic nerve to the brain, which interprets them as images. In the absence of the retina or optic nerve, the eyes cannot communicate with the brain. This is the case for many people suffering from total blindness. The devices Troyk and Musk are building completely bypass the eye and optic nerve, sending information directly to the brain. For this reason, they are potentially able to remedy any cause of blindness, be it eye disease or trauma.

The region of the brain that processes information received from the eyes is called the visual cortex. Its location, at the back of the head, makes it easily accessible for an implant. To insert the 25 chips into Bussard's brain, miniaturized stimulators that emit a mild electrical current, surgeons performed a craniotomy. Each chip is the size of a pencil eraser and contains 16 tiny electrodes, thinner than a human hair and individually controllable.

Overall, Bussard has 400 electrodes implanted: "It's like a cellular network in the brain," explains the study leader. A camera mounted on a pair of glasses records the surrounding environment. The images are processed with special software and translated into commands that communicate with the chip network, turning on individual electrodes to stimulate neurons. The stimulation produces visual perceptions called phosphenes, which resemble pinpricks of light, without the light actually reaching the eye. Because the stimulators are clustered in part of the visual cortex, Bussard sees the phosphenes only in the lower left part of his visual field. But all this is enough to improve his ability to orient himself in a room and allow him to carry out basic tasks, such as identifying a plate among four different objects on a table.

The technology of the future

Producing better images is one of the main challenges of these systems: "The more electrodes you have, the more phosphenes you could theoretically produce, and the more complex shapes you could artificially generate," explains Xing Chen, an assistant professor of ophthalmology at the University of Pittsburgh. Last year, Chen and his colleagues published a study on a visual prosthesis created with 1024 electrodes. When they tested the system in monkeys, the animals were able to recognize artificially generated letters. To restore some form of vision in people, the number of electrodes needed ranges from hundreds to thousands, depending on estimates. But Troyk, the head of the study to which Brian Bussard underwent, believes that the important thing is not so much the number of electrodes, but their location: by distributing them over the visual cortex it could produce more bright points in a wider field of vision. The downside, however, could be a more invasive surgery.

In the study at the Miguel Hernández University in Spain, volunteers received a single device containing 100 electrodes. Nonetheless, this system also allowed a 60-year-old woman to identify lines, shapes and simple letters, according to results published in 2021. The researchers then replicated the study in three other blind volunteers, explains Eduardo Fernández, the neuroscientist leading the study. research, the main objective of which is to improve the orientation and mobility of blind people. In one test, a subject wearing the prosthesis was able to avoid objects while walking on a treadmill in front of a virtual reality video screen. In the future, Fernández wants to add more electrodes to increase the number of phosphenes and produce more detailed images. For now, his team is learning a lot from the study's four initial volunteers. Each participant's visual cortex is a little different, so researchers have to experiment with different strategies to find the best electrode placement and amount of electrical stimulation to deliver: "We personalize the stimulation for each volunteer," says Fernández.

The challenges of artificial vision

Adapting systems to obtain optimal performance is not easy. In early experiments, the researchers used large electrodes placed on the surface of the brain, which required relatively high electrical currents to produce phosphenes. Because of this, the stimulation sometimes caused seizures, pain, and damage to brain tissue. According to Chen, a balance must be found between the need for a strong enough current that produces phosphenes without causing unwanted side effects.

Another obstacle is the longevity of devices implanted in the brain. In the Pittsburgh and Spanish university studies, the researchers used a rigid device called a Utah array, a square grid with 100 small silicon needles, each with an electrode at the tip. This model can last for months to years, but there is a risk that it may stop working as scar tissue forms around the implant, interfering with its ability to pick up signals from nearby neurons. The University of Illinois team's implants resemble miniature brush heads and are made of iridium oxide. Neuralink and other companies are developing devices with smaller, more flexible electrodes that can penetrate the brain. For example, Neuralink's coin-shaped device fits into the skull with thin, thread-like electrodes that extend into brain tissue. According to Chen, softer electrodes have the potential to extend the life of an implant, although it remains to be seen how long they will last inside a brain.

Another unanswered question is whether the length of a person's blindness can affect how these devices work. The first participant in the Spanish study had been blind for 16 years and yet he was able to distinguish rough shapes, while Bussard has been completely blind for only six years. "We know that after years of blindness the visual system begins to degenerate – says Chen –, it is possible that it is better to intervene as soon as possible, even if this aspect still needs to be studied and demonstrated systematically".

During an event in 2022, Musk stated that through his devices "anyone will be able to gain sight, even those who were born blind". Other experts, such as Fernández, are more cautious and highlight that restoring sight in a person blind from birth It has never been attempted. This is because, in theory, for it to be possible a person would have to have a functioning visual cortex. But people born blind have never used this part of the brain to process visual information.

For now, Bussard is limited to using his visual prosthesis in the lab, where researchers can control the stimulation. Troyk and his colleagues are working on a mobile system that would allow future study participants to use the device at home. Troyk is looking for other volunteers, who went blind as adults but had normal or near-normal vision for at least the first 10 years of life. In the Spanish study, the visual prosthesis is implanted for six months before being removed. Bussard says he would like to use the device outside the lab as well. He has a deaf and partially blind dog and jokes that it would be much easier to find him if he could use the facility at home. But he is aware of the fact that he may not have the opportunity to benefit greatly from the device in his lifetime: "I don't necessarily do it for myself - he says -, but for future generations".

Da:

https://www.wired.it/article/nuralink-impianti-cerebrali-vista-artificiale/?social-type=owned&utm_source=facebook&brand=wired-it&utm_medium=social&fbclid=IwZXh0bgNhZW0CMTEAAR0xykHizstBD4ESimpm0bC0BNTh5p-brv3bSMIRlwEovv0MapUF67grQBU_aem_Ab2Nmu9fPvl9JmDF9hSerkMx4t8Uv_Fplxtpf4A47y3kYp0UEbIJvTKU__3shEXBZRO0ABBwXGTZWwLXBTjCGqgs