Jens Naumann aveva 17 anni quando un incidente ha fatto volare un frammento di metallo da una linea ferroviaria nel suo occhio sinistro. Tre anni dopo, una scheggia di metallo da una frizione della motoslitta gli distrusse l’occhio destro, facendolo precipitare nell’oscurità totale. Il libro di Naumann Search for Paradise racconta la sua disperata ricerca di ritorno alla luce, principalmente come “paziente alfa” dell’ingegnere biomedico William Dobelle. Negli anni ’70, Dobelle aveva dimostrato che stimolando elettricamente aree del cervello visive (la corteccia visiva), le persone percepivano macchie di luce, o “fosfeni.”
L’obiettivo dell’ingegnere era di sviluppare un “occhio bionico”. L’apparato consisterebbe in una telecamera montata sulla testa che alimenta il video ad un processore di computer, che poi invierebbe segnali elettrici ad elettrodi impiantati nella corteccia visiva, generando percezioni visive. Naumann è diventato il paziente più famoso di Dobelle dopo aver viaggiato in Portogallo per l’intervento nel 2002; la FDA aveva vietato la procedura negli Stati Uniti in quanto non era stato dimostrato che fosse sicura. I suoi resoconti aneddotici sulla percezione dei contorni grezzi rimasero l’unica prova che i ricercatori avevano che la percezione delle forme era possibile utilizzando un tale dispositivo, perché i dati di queste procedure non furono mai pubblicati. Il dispositivo si degradò dopo pochi mesi, e il ritrovato mondo visivo di Naumann svanì, ma lui ha continuato a fare campagna negli anni per far progredire la tecnologia.
Una versione più sofisticata che sposta la tecnologia più vicina all’uso pratico di routine nelle persone è stata ora costruita e testata nelle scimmie. Un team guidato dal neuroscienziato Pieter Roelfsema, del Netherlands Institute for Neuroscience, ha dimostrato la percezione di posizione, orientamento, movimento e forme di lettere in due scimmie vedenti. Lo studio, pubblicato il 3 dicembre su Science “è un tour de force tecnico”, dice il neurochirurgo Daniel Yoshor, che non era coinvolto ma ha scritto un commento di accompagnamento. Il dispositivo ha bisogno di ulteriore sviluppo prima che sia pronto per l’uso negli esseri umani, ma il lavoro porta più vicino il sogno di ripristinare la visione alle persone che non ne hanno. L’approccio è l’unico trattamento possibile per le persone senza cellule funzionanti nell’occhio, un gruppo che include alcuni pazienti con glaucoma e diabete e coloro che hanno subito un trauma fisico.
Nel nuovo studio, il team ha usato 16 matrici, ciascuna una griglia di 64 elettrodi, per un totale di 1024 elettrodi. “Abbiamo piastrellato una grande frazione della superficie della corteccia, creando così un’interfaccia con una grande frazione di questa mappa dello spazio visivo”, dice Roelfsema. La corteccia visiva ha una proprietà nota come “retinotopia”, che significa che lo spazio visivo mappa fisicamente su aree della corteccia, permettendo ai ricercatori di generare fosfeni in punti specifici nello spazio. Una serie di esperimenti ha dimostrato che le scimmie potevano identificare la posizione dei singoli fosfeni, l’orientamento delle linee composte da due fosfeni e la direzione del movimento implicita stimolandone due in sequenza. Infine, le scimmie che erano state addestrate a riconoscere le lettere sembravano essere in grado di identificare le lettere generate da otto a 15 fosfeni. I fosfeni sono stati generati senza usare telecamere stimolando direttamente gli elettrodi, e le scimmie hanno indicato le risposte usando i movimenti degli occhi.
Altri gruppi stanno lavorando sullo stesso problema, e uno sta già testando i dispositivi sugli esseri umani. Una società californiana, Second Sight, sta sviluppando un sistema chiamato Orion in sei persone cieche in un trial clinico approvato dalla FDA. Come il sistema di Dobelle, Orion utilizza elettrodi che siedono sulla superficie del cervello che evita il danno ai tessuti e l’infiammazione che si verifica quando si utilizzano impianti “penetranti”, che si traduce in una perdita di prestazioni nel tempo. Uno svantaggio di questo metodo è che le correnti richieste sono relativamente alte, limitando il numero di elettrodi che possono essere utilizzati in modo sicuro. “Non si vuole indurre l’epilessia”, dice Roelfsema. Il nuovo studio del gruppo olandese ha usato elettrodi penetranti, che richiedono meno corrente. “Abbiamo usato aghi sottili, in modo da poter attivare solo poche cellule, con correnti relativamente leggere, cento volte più piccole di quelle necessarie con un elettrodo di superficie”, dice Roelfsema. Più significativamente, il nuovo dispositivo ha una risoluzione molto più alta. Dove il nuovo sistema ha 1.024 elettrodi, l’impianto Orion ne ha 60, limitando i destinatari a rilevare aree di buio e luce.
La visione che questo dispositivo potrebbe generare sarebbe grezza rispetto alla ricchezza della visione naturale, ma fornisce comunque un vantaggio sostanziale. “Quando si inizia da niente, il 10, 20 per cento è un cambio di gioco”, dice Neena Haider della Harvard Medical School, che non è stato coinvolto nel lavoro. “Ti dà una finestra su come navigare nel mondo”. Ma gli ostacoli rimangono prima che questa tecnologia veda l’uso umano. In primo luogo, gli impianti devono essere wireless – e altri gruppi stanno facendo sforzi per sviluppare impianti cerebrali wireless. I prossimi passi devono anche misurare le conseguenze fisiologiche della penetrazione degli impianti, dice Haider. “Quali risposte cellulari stanno accadendo nel cervello?” si chiede, per quanto riguarda gli effetti acuti e a lungo termine. La “biocompatibilità” rimane un problema, ma le soluzioni potrebbero essere a portata di mano. “Stiamo lavorando con gruppi che sviluppano elettrodi sottili e flessibili”, spinti nel cervello con aste che vengono poi ritratte, dice Roelfsema. “Le prime impressioni sono che questi nuovi materiali sono molto stabili, ma c’è ancora del lavoro da fare.”
Anche una migliore comprensione di come il cervello elabora le informazioni visive aiuterà. “C’è una sfida hardware e una sfida software”, dice Yoshor. “A volte le persone trascurano l’elemento software, che è il modo in cui stimoliamo il cervello”. Yoshor è uno dei due neurochirurghi che hanno impiantato Orion nei pazienti, e lui e i colleghi hanno recentemente pubblicato uno studio che esplora le sue capacità. “È facile far vedere i punti ai pazienti”, dice Yoshor. “Ma quando cerchiamo di combinarli, come le luci dello stadio, è molto più difficile far percepire ai pazienti una forma coerente”. Il team di ricerca si è chiesto se sfruttare la propensione del cervello a rilevare i cambiamenti nella stimolazione potrebbe aiutare. “Se stimolavamo sei elettrodi simultaneamente, i pazienti vedevano macchie incoerenti”, dice Yoshor. “Ma quando abbiamo spazzato attraverso il cervello, i pazienti sono stati immediatamente in grado di rilevare forme visive o lettere.”
L’elaborazione eseguita dal sistema visivo è incredibilmente complessa, ma una comprensione più profonda di questa elaborazione, insieme a tecnologie di stimolazione più sofisticate, continuerà a far progredire questi dispositivi. Yoshor paragona il problema alla riproduzione della musica. “È come la differenza tra suonare un accordo e battere un pianoforte con i pugni”, dice. “Se inserisci le informazioni in modo grossolano, produci una cacofonia; deve essere fatto in un modo che sia musicale.”
.