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DARPA e l’iniziativa Brain

La Casa Bianca ha annunciato l’iniziativa BRAIN nell’aprile 2013. Oggi l’iniziativa è supportata da diverse agenzie federali e da dozzine di aziende tecnologiche, istituzioni accademiche, scienziati e altri importanti contributori nel campo delle neuroscienze. La DARPA sostiene l’iniziativa BRAIN attraverso una serie di programmi, portando avanti un’eredità di investimenti della DARPA nella neurotecnologia che risale agli anni ’70. Un articolo nella nostra rivista dedicata al 60° anniversario fornisce una panoramica della recente ricerca dell’agenzia volta ad espandere le frontiere del campo e a consentire nuove e potenti capacità.
Prescrizioni elettriche (ElectRx) 1
Il programma ElectRx 2 mira ad aiutare il corpo umano a guarire se stesso attraverso la neuromodulazione delle funzioni degli organi utilizzando dispositivi ultraminiaturizzati, approssimativamente delle dimensioni delle singole fibre nervose, che potrebbero essere erogati tramite un’iniezione minimamente invasiva.
Inizia il lavoro per supportare l’autoguarigione del corpo e della mente
ElectRx ha il coraggio di immaginare terapie rivoluzionarie per l’autoguarigione
Il presidente Obama evidenzia il nuovo programma DARPA volto a sviluppare nuove terapie personalizzate per i singoli pazienti
Interfacce propriocezione e tocco della mano (HAPTIX) 3
Il programma HAPTIX mira a creare microsistemi di interfaccia neurale completamente impiantabili, modulari e riconfigurabili che comunicano in modalità wireless con moduli esterni, come un collegamento di interfaccia protesica, per fornire sensazioni naturalistiche agli amputati.
La neuroscienza del tatto supporta interfacce robotiche e protesiche migliorate
HAPTIX inizia a lavorare per fornire alle mani protesiche il senso del tatto
Ripristinando il senso del tatto negli amputati, HAPTIX cerca di superare gli effetti fisici e psicologici della perdita degli arti superiori
Neural Engineering System Design (NESD)  4
Il programma NESD mira a sviluppare un’interfaccia neurale impiantabile in grado di fornire una risoluzione del segnale e una larghezza di banda di trasferimento dati senza precedenti tra il cervello e il mondo digitale.
Verso un’interfaccia neurale impiantabile ad alta risoluzione
Colmare il divario bioelettronico
Funzione, attività, struttura e tecnologia neuro (Neuro-FAST) 5
Il programma Neuro-FAST mira a consentire una visualizzazione e decodificazione senza precedenti dell’attività cerebrale per caratterizzare e mitigare meglio le minacce al cervello umano, nonché facilitare lo sviluppo del cervello in-the sistemi di loop per accelerare e migliorare i comportamenti funzionali. Il programma ha sviluppato CLARITY 6, un metodo rivoluzionario di conservazione dei tessuti, e si basa su recenti scoperte nel campo della genetica, delle registrazioni ottiche e delle interfacce cervello-computer.
I ricercatori identificano il direttore dell’orchestra neurale di Brain e iniziano a decodificare la partitura
Il metodo avanzato CLARITY offre visualizzazioni più rapide e migliori dell’intero cervello
Neurotecnologia non chirurgica di prossima generazione (N 3 )7
Il programma N 3 mira a sviluppare un sistema di interfaccia neurale portatile e sicuro in grado di leggere e scrivere su più punti del cervello contemporaneamente. Mentre la neurotecnologia più avanzata esistente richiede l’impianto chirurgico di elettrodi, N 3 sta perseguendo una tecnologia ad alta risoluzione che funzioni senza la necessità di un intervento chirurgico in modo che possa essere utilizzata da persone normodotate.
Sei percorsi verso il futuro non chirurgico delle interfacce cervello-macchina
Le interfacce neurali non chirurgiche potrebbero espandere significativamente l’uso della neurotecnologia
Reliable Neural-Interface Technology (RE-NET) (archiviato) 8
Il programma RE-NET cerca di sviluppare le tecnologie necessarie per estrarre in modo affidabile informazioni dal sistema nervoso e di farlo su scala e velocità necessarie per controllare macchine complesse, come arti protesici ad alte prestazioni.
Lo “Stentrode” minimamente invasivo mostra il potenziale come interfaccia neurale per il cervello
I sensori di grafene della larghezza dell’atomo potrebbero fornire informazioni senza precedenti sulla struttura e sulla funzione del cervello
Nuove interfacce nervose e muscolari aiutano i guerrieri feriti
Ripristino della memoria attiva (RAM) 9
Il programma RAM mira a sviluppare e testare un dispositivo medico con interfaccia neurale wireless e completamente impiantabile per uso clinico umano. Il dispositivo faciliterebbe la formazione di nuovi ricordi e il recupero di quelli esistenti in individui che hanno perso queste capacità a causa di lesioni cerebrali traumatiche o malattie neurologiche.
Progressi nella ricerca per sviluppare una protesi per la memoria umana
La stimolazione elettrica mirata del cervello si dimostra promettente come aiuto per la memoria
Ripristino della memoria attiva Programma pronto per l’avvio
Ripristino della memoria attiva – Replay (RAM Replay)
Il programma RAM Replay indagherà il ruolo del “replay” neurale nella formazione e nel richiamo della memoria, con l’obiettivo di aiutare le persone a ricordare meglio eventi episodici specifici e abilità apprese. Il programma mira a sviluppare metodi computazionali nuovi e rigorosi per aiutare i ricercatori a determinare non solo quali componenti del cervello contano nella formazione e nel richiamo della memoria, ma anche quanto contano.
DARPA mira ad accelerare la funzione della memoria per l’apprendimento delle abilità
Protesi rivoluzionarie 10
Il programma Protesi rivoluzionarie mira a continuare ad aumentare la funzionalità dei sistemi di braccio sviluppati dalla DARPA a beneficio dei membri del servizio e di altri che hanno perso gli arti superiori. Le capacità manuali abili sviluppate nell’ambito del programma sono già state applicate a piccoli sistemi robotici utilizzati per manipolare ordigni inesplosi, riducendo il rischio di perdita degli arti tra i soldati.
La DARPA aiuta un uomo paralizzato a sentirsi di nuovo usando un braccio robotico controllato dal cervello
La neurotecnologia fornisce un senso del tatto quasi naturale
Dall’idea al mercato in otto anni, il sistema di braccio DEKA finanziato dalla DARPA ottiene l’approvazione della FDA
Neurotecnologie basate su sistemi per terapie emergenti (SUBNETS) 11
Il programma SUBNETS mira a creare sistemi diagnostici e terapeutici impiantati a circuito chiuso per il trattamento delle malattie neuropsicologiche.
Le scoperte ispirano speranza per il trattamento dei disturbi dell’umore intrattabili
Inizia il viaggio alla scoperta della comprensione e del trattamento delle reti cerebrali
SUBNETS mira alla neurotecnologia basata sui sistemi e alla comprensione per il trattamento delle malattie neuropsicologiche
Allenamento mirato alla neuroplasticità (TNT) 12
Il programma TNT cerca di aumentare il ritmo e l’efficacia dell’allenamento delle abilità cognitive attraverso l’attivazione precisa dei nervi periferici che possono a loro volta promuovere e rafforzare le connessioni neuronali nel cervello. TNT perseguirà lo sviluppo di una tecnologia di piattaforma per migliorare l’apprendimento di un’ampia gamma di abilità cognitive, con l’obiettivo di ridurre i costi e la durata del vasto regime di formazione del Dipartimento della Difesa, migliorando al contempo i risultati.
I ricercatori di TNT si propongono di promuovere il ritmo e l’efficacia della formazione sulle abilità cognitive
Aumentare la plasticità sinaptica per accelerare l’apprendimento

1-Prescrizioni elettriche (ElectRx)
Dottor Gopal Sarma
Il programma Electrical Prescriptions (ElectRx) mira a supportare la prontezza operativa militare riducendo i tempi di trattamento, le sfide logistiche e i potenziali effetti fuori bersaglio associati agli interventi medici tradizionali per un’ampia gamma di condizioni di salute fisica e mentale comunemente affrontate dai nostri combattenti. ElectRx cerca di fornire trattamenti non farmacologici per dolore, infiammazione generale, stress post-traumatico, ansia grave e traumi che impiegano una modulazione precisa, a circuito chiuso e non invasiva del sistema nervoso periferico del paziente.
Il sistema nervoso umano svolge già un ruolo vitale nel mantenimento di tutti gli aspetti della salute fisica e mentale. Una sofisticata rete di nervi sensoriali monitora continuamente lo stato di salute e attiva risposte riflessive nel cervello e nel midollo spinale quando viene rilevata un’infezione o una lesione. Questi riflessi normalmente regolano la funzione degli organi per avviare e controllare il processo di guarigione. Tuttavia, alcune malattie possono interrompere il corretto funzionamento di questi processi e produrre segnali nervosi che causano dolore, disturbi metabolici come il diabete e disturbi autoimmuni come l’artrite reumatoide. La tecnologia ElectRx sfrutterebbe e integrerebbe la naturale capacità del corpo di guarire se stesso in modo rapido ed efficace, intervenendo quando necessario per correggere o rafforzare l’attività del sistema nervoso.
ElectRx sta definendo la scienza di base e sviluppando le tecnologie che potrebbero consentire la modulazione artificiale dei nervi periferici per ripristinare modelli sani di segnalazione in questi circuiti neurali. Il programma mira a migliorare la comprensione dell’anatomia e della fisiologia di specifici circuiti neurali e del loro ruolo nella salute e nella malattia. Parallelamente, il programma cerca anche di sviluppare nuove tecnologie di interfaccia biologica per monitorare i biomarcatori e l’attività dei nervi periferici e fornire segnali terapeutici ai bersagli dei nervi periferici. Nuovi potenziali approcci includono biosensori in vivo, in tempo reale e nuove interfacce neurali che utilizzano strategie di biologia ottica, acustica, elettromagnetica o ingegnerizzata per ottenere un targeting preciso con risoluzione potenzialmente a singolo assone.
Dopo i successi ottenuti nei primi studi di prova di concetto, i dispositivi ElectRx e i sistemi terapeutici in fase di sviluppo stanno entrando in studi clinici. In caso di successo, una tecnologia con capacità di neuromodulazione così precisa ridurrebbe la dipendenza dai farmaci tradizionali e creerebbe nuovi trattamenti che potrebbero essere sintonizzati automaticamente e continuamente sulle esigenze dei combattenti senza effetti collaterali. La tecnologia potrebbe anche aiutare i medici a valutare e prevedere vari stati fisiologici e a caratterizzare la risposta dell’ospite nei pazienti con infezioni gravi, fornendo un quadro quantitativo per guidare le operazioni e la terapia.

2 – ElectRx ha il coraggio di immaginare terapie rivoluzionarie per l’autoguarigione
Si cercano proposte per capacità di neuromodulazione rivoluzionarie che massimizzerebbero la salute immunologica, fisica e mentale dei membri del servizio militare e dei veterani
OUTREACH@DARPA.MIL
12/11/2014

Molte malattie infiammatorie croniche e condizioni di salute mentale che colpiscono i membri del servizio militare e i veterani comportano un’attività anormale nel sistema nervoso periferico, che svolge un ruolo chiave nella funzione degli organi. Il monitoraggio e la regolazione mirata dei segnali nervosi periferici offrono una grande promessa per aiutare i pazienti a ripristinare e mantenere la propria salute senza interventi chirurgici o farmaci. Tuttavia, gli attuali dispositivi di neuromodulazione vengono generalmente utilizzati come ultima risorsa, perché sono relativamente grandi (circa le dimensioni di un mazzo di carte), richiedono un impianto chirurgico invasivo e spesso producono effetti collaterali a causa della loro mancanza di precisione. Il programma Electrical Prescriptions (ElectRx) della DARPA è alla ricerca di proposte di ricerca innovative per contribuire a trasformare le terapie di neuromodulazione da ultima risorsa a prima scelta per un’ampia gamma di malattie.
ElectRx (pronunciato “elettrico”) mira a sviluppare tecnologie rivoluzionarie che utilizzerebbero la neurofisiologia innata del corpo per ripristinare e mantenere la salute. [Link]A sostegno dell’iniziativa sul cervello della Casa Bianca[Link], ElectRx cerca anche di accelerare la comprensione di specifici circuiti neurali e del loro ruolo nella salute e nella malattia. Le future terapie basate sulla stimolazione neurale periferica mirata potrebbero promuovere l’autoguarigione, ridurre la dipendenza dai farmaci tradizionali e fornire nuove opzioni terapeutiche per le malattie.
ElectRx sfrutterebbe tecnologie avanzate di rilevamento e stimolazione per colpire specifici circuiti neurali periferici che controllano le funzioni degli organi. Queste tecnologie di neuromodulazione controllate dal feedback monitorerebbero lo stato di salute e interverrebbero secondo necessità per fornire modelli terapeutici di stimolazione specifici per il paziente progettati per ripristinare uno stato fisiologico sano. Il programma mira a creare dispositivi ultraminiaturizzati che richiederebbero solo procedure di inserimento minimamente invasive come la somministrazione iniettabile attraverso un ago.
“Molte malattie croniche si verificano quando i ritmi neuroelettrici e biochimici naturali del corpo vengono interrotti, come quando si suonano note sbagliate nella musica”, ha affermato Doug Weber, responsabile del programma DARPA. “ElectRx cerca di capire quali sono le ‘note giuste’ per ogni persona e di fornire un trattamento in tempo reale per aiutare il paziente a raggiungere e godere di una linea di base armoniosa e sana. Le terapie di neuromodulazione periferica basate sulla ricerca ElectRx potrebbero aiutare a massimizzare la salute immunologica, fisica e mentale dei membri del servizio militare e dei veterani”.
Lo scopo della ricerca di ElectRx riguarda i trattamenti di neuromodulazione periferica per le malattie infiammatorie (che includono l’artrite reumatoide, la sindrome da risposta infiammatoria sistemica e la malattia infiammatoria intestinale) e i disturbi di salute mentale (come il disturbo da stress post-traumatico (PTSD), ansia e depressione). La DARPA si aspetta che i proponenti di ElectRx identifichino una malattia di interesse da studiare e trattare. L’agenzia intende determinare il successo complessivo del programma sulla base del progresso della tecnologia di interfaccia minimamente o non invasiva, della capacità di colpire nervi specifici senza effetti collaterali, della convalida dei percorsi biologici di input/output e del potenziale di tradurre questa conoscenza in un sistema integrato e chiuso. interfaccia neurale-viscerale ad anello per il monitoraggio e il mantenimento della salute.
Per familiarizzare i potenziali partecipanti con gli obiettivi tecnici di ElectRx, la DARPA ha programmato un Proposers’ Day martedì 16 dicembre 2014 presso il Capitol Conference Center di Arlington, Virginia. La registrazione è chiusa. Il documento DARPA Special Notice che annuncia il Proposers’ Day e descrive le specifiche capacità ricercate è disponibile all’indirizzo http://go.usa.gov/6zpW . L’annuncio generale dell’agenzia con tutti i dettagli tecnici su ElectRx è disponibile all’indirizzo http://go.usa.gov/F88T . Per ulteriori informazioni, inviare un’e-mail a DARPA-BAA-15-06@darpa.mil .
ElectRx prevede di esplorare due principali aree tecniche:
Area Tecnica 1 (TA1): Approcci sistemici alla scoperta neurobiologica e al controllo a circuito chiuso dello stato fisiologico in vivo. Le proposte dovrebbero mirare a chiarire le basi neurobiologiche del bersaglio della malattia proposto e utilizzare le nuove intuizioni derivate dagli studi fisiologici per guidare la progettazione e l’implementazione del sistema di neuromodulazione a circuito chiuso. Questi sforzi dovrebbero culminare con dimostrazioni in vivo del ripristino prevedibile e automatico di stati fisiologici sani in risposta al monitoraggio dello stato fisiologico a bordo.
Area Tecnica 2 (TA2): Sviluppo di tecnologie di componenti avanzati. Le proposte per TA2 dovrebbero sviluppare e dimostrare in vivo tecnologie avanzate di componenti minimamente e non invasive (atraumatiche), comprese nuove modalità di rilevamento e tecnologie di interfaccia neurale. A seconda dei risultati della ricerca, DARPA potrebbe integrare tecnologie efficaci sviluppate in entrambe le aree tecniche in una futura fase di ricerca aggiuntiva.
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Le immagini associate pubblicate su www.darpa.mil e i video pubblicati su www.youtube.com/darpatv possono essere riutilizzati secondo i termini del Contratto con l’utente DARPA, disponibile qui: http://www.darpa.mil/policy/usage- politica

3- Propriocezione della mano e interfacce tattili (HAPTIX)
Dott. Matteo Pava

Concentrandosi sui guerrieri feriti e facilitando il loro ritorno al servizio militare, il programma HAPTIX (Hand Proprioception and Touch Interfaces) sta perseguendo tecnologie chiave per consentire il controllo di precisione e il feedback sensoriale dei dispositivi protesici degli arti superiori dotati di sensori. In caso di successo, il sistema risultante fornirebbe agli utenti un controllo quasi naturale delle mani e delle braccia protesiche tramite impianti nervosi periferici bidirezionali. Il programma è fortemente incentrato sul trasferimento tecnologico e mira a creare e trasferire tecnologie clinicamente rilevanti a sostegno dei guerrieri feriti che soffrono di perdita di uno o più arti.
HAPTIX si basa sui precedenti investimenti della DARPA nel programma Reliable Neural-Interface Technology (RE-NET), che ha creato nuovi sistemi di interfaccia neurale che hanno superato i precedenti problemi di affidabilità dei sensori per durare per tutta la vita del paziente. Uno degli obiettivi principali di HAPTIX è la creazione di nuove tecnologie per interfacciarsi in modo permanente e continuo con i nervi periferici negli esseri umani. Le tecnologie HAPTIX sono progettate per attingere ai segnali motori e sensoriali del braccio per consentire agli utenti di controllare e percepire la protesi attraverso gli stessi percorsi di segnalazione neurale utilizzati per gli arti intatti. L’accesso diretto a questi segnali di controllo naturali, in caso di successo, consentirà un controllo più naturale e intuitivo dei movimenti complessi della mano e l’aggiunta del feedback sensoriale migliorerà ulteriormente la funzionalità della mano consentendo agli utenti di percepire la forza di presa e la postura della mano.
Oltre a sviluppare la microelettronica a bassa potenza necessaria per il sistema, i team di artisti HAPTIX conducono anche ricerche neuroscientifiche fondamentali per comprendere come il sistema nervoso codifica le informazioni motorie e sensoriali per la mano. Questa conoscenza guida lo sviluppo di algoritmi che consentono un controllo intuitivo della protesi e forniscono ricche sensazioni di tatto e propriocezione. In caso di successo, il sistema HAPTIX completato sarà integrato con uno degli arti protesici avanzati sviluppati nell’ambito del programma Revolutionizing Prosthetics della DARPA per creare il primo arto protesico abile con capacità sensoriali e motorie complete adatto all’uso domestico. La DARPA prevede una sperimentazione clinica di 12 mesi del sistema HAPTIX completo come culmine del programma.

4- La neuroscienza del tatto supporta interfacce robotiche e protesiche migliorate
Il team HAPTIX produce sensazioni graduali di tocco tattile attraverso la stimolazione modellata dei nervi periferici
OUTREACH@DARPA.MIL
26/10/2016

La pressione, la quantità fisica di un’esperienza tattile, è una dimensione fondamentale della percezione umana, poiché trasmette al cervello non solo il fatto che la pelle è in contatto con qualcosa, ma anche l’intensità del contatto. Questa consapevolezza è ciò che consente alle persone, ad esempio, di maneggiare delicatamente ma con sicurezza un uovo senza comprimerlo così forte da romperne il guscio.
Comprendere la pressione e altri aspetti del senso del tatto e imparare a trasmetterli attraverso bracci robotici e altre macchine è fondamentale per la ricerca della DARPA di creare arti protesici avanzati per i membri del servizio feriti e sbloccare nuove capacità per altre applicazioni di sistemi uomo-macchina. Ora, un gruppo di ricerca finanziato dal programma HAPTIX (Hand Proprioception and Touch Interfaces) della DARPA e comprendente ricercatori della Case Western Reserve University, del Louis R. Stokes Cleveland VA Medical Center e dell’Università di Chicago è avanzato verso questo obiettivo, riferendo nel rivista Science Translational Medicine la scoperta di come codificare sensazioni graduali di pressione nel sistema nervoso utilizzando la stimolazione elettrica.
“DARPA sta lavorando per evocare sensazioni naturalistiche di tatto e movimento negli utenti di protesi avanzate stimolando i nervi periferici”, ha affermato Doug Weber, responsabile del programma HAPTIX. “Determinare come il sistema nervoso codifica i diversi aspetti del tatto è una sfida enorme, ma con questa conoscenza possiamo progettare interfacce neurali più capaci che potrebbero ridefinire il modo in cui le persone interagiscono con strumenti e macchine”.
Con l’aiuto di due volontari, entrambi con amputazioni degli arti superiori e a cui sono state impiantate chirurgicamente interfacce nervose nei monconi residui della parte superiore del braccio per più di due anni, i ricercatori hanno condotto test per discernere come l’ampiezza e la frequenza della stimolazione elettrica dei nervi vengono interpretati dal cervello come pressione tattile.
Nel sistema HAPTIX, quando vengono attivati ​​i sensori di pressione su una mano protesica indossata da un volontario, inviano segnali a uno stimolatore esterno al corpo del volontario. Lo stimolatore invia quindi impulsi elettrici agli elettrodi che avvolgono i principali fasci nervosi nel moncone del braccio del volontario, gli stessi fasci nervosi che controllavano la mano del volontario prima dell’amputazione. La stimolazione modellata viene trasportata attraverso i nervi al cervello, che interpreta tali schemi per discernere diversi livelli di intensità.
Il gruppo di ricerca ha scoperto che modulando il numero di fibre nervose stimolate (ampiezza della stimolazione) e la frequenza della stimolazione, le informazioni sensoriali potevano essere trasmesse attraverso il sistema nervoso periferico al cervello in modo tale che i volontari potessero distinguere livelli distinti di intensità tattile. Disaccoppiando l’ampiezza e la frequenza della stimolazione e variando una alla volta, i ricercatori hanno potuto prevedere il grado di pressione percepita.
I ricercatori hanno testato la capacità di un volontario di discernere l’intensità tattile in tre modi: distinguendo quanto piccola differenza nella stimolazione poteva rilevare come diversi livelli di pressione; valutare l’intensità dei diversi segnali; e confrontare e abbinare l’intensità della sensazione sperimentata attraverso la mano protesica con la pressione misurata esercitata sulla mano intatta. Durante l’ultimo test, i ricercatori hanno scoperto che ciascuno dei volontari poteva correlare in modo affidabile la sensazione di pressione tramite la protesi con la pressione effettiva sulle loro mani intatte. I test hanno dimostrato che gli utenti possono distinguere 20 livelli distinti di intensità che sono stati interpretati dai volontari come gradi di pressione.
I ricercatori finanziati dalla DARPA hanno precedentemente consentito il controllo motorio degli arti robotici utilizzando interfacce cervello-macchina collegate al sistema nervoso centrale e periferico. E all’inizio di questo mese lo ha annunciato la DARPAche un team impegnato nel suo programma Revolutionizing Prosthetics è stato in grado di trasmettere la sensazione tattile da un braccio robotico al cervello di un volontario tramite un’interfaccia neurale diretta. Questa ricerca integra una precedente dimostrazione nell’ambito del programma HAPTIX che utilizzava un’interfaccia meno invasiva tra un braccio protesico e il sistema nervoso periferico per fornire stimoli tattili. In tutti questi casi, tuttavia, gli utenti avevano una capacità limitata di sapere quanta pressione veniva applicata alle loro dita meccaniche o quanta pressione stavano applicando agli oggetti impugnati. Quest’ultimo risultato del programma HAPTIX getta nuova luce sui meccanismi neurali dietro la quantificazione della sensazione tattile e potrebbe supportare interfacce neurali più realistiche per una moltitudine di applicazioni.

5- HAPTIX inizia a lavorare per fornire

alle mani protesiche il senso del tatto
Otto organizzazioni approvano lo sviluppo di tecnologie reali che migliorerebbero l’efficacia delle protesi e la qualità della vita degli amputati
OUTREACH@DARPA.MIL
2/8/2015

Nonostante i recenti progressi nella tecnologia per le protesi degli arti superiori, le braccia e le mani artificiali non sono ancora in grado di fornire agli utenti feedback sensoriali, come la “sensazione” delle cose che vengono toccate o la consapevolezza della posizione e del movimento degli arti. Senza questo feedback, anche gli arti protesici più avanzati rimangono insensibili agli utenti, un fattore che compromette l’efficacia degli arti e la volontà di chi li indossa di usarli. In un passo verso il superamento di queste sfide, DARPA ha assegnato contratti di prim’ordine per la Fase 1 del suo programma HAPTIX (Hand Proprioception and Touch Interfaces).
Nell’ambito dell’impegno della DARPA per aiutare a ripristinare la piena e naturale funzionalità dei membri del servizio e dei veterani feriti e a sostegno dell’iniziativa sul cervello della Casa Bianca, HAPTIX cerca di creare un sistema di mano protesica che si muova e fornisca sensazioni come una mano naturale. Il feedback sensoriale, soprattutto dalla mano, è di vitale importanza per molte funzioni e HAPTIX cerca di creare un’esperienza sensoriale così ricca e vibrante che gli utenti vorrebbero indossare le loro protesi a tempo pieno. Ripristinando le funzioni sensoriali, HAPTIX mira anche a ridurre o eliminare il dolore dell’arto fantasma, che colpisce circa l’80% degli amputati.
Accelerare lo sviluppo di protesi per gli arti superiori notevolmente migliorate è diventata una priorità nazionale. Il presidente Obama ha fatto riferimento ai numerosi programmi di protesi avanzate della DARPA nel suo discorso sullo stato dell’Unione del 2015, il mese scorso, quando ha affermato che il governo degli Stati Uniti è interessato a “creare protesi rivoluzionarie, in modo che un veterano che ha donato le sue armi per il suo paese possa giocare a palla con i suoi figli”. di nuovo” (guarda il video su https://www.youtube.com/watch?v=22J3eI9rfrc&feature=youtu.be ).
“L’obiettivo finale di HAPTIX è creare un dispositivo sufficientemente sicuro, efficace e affidabile da poter essere utilizzato nelle attività quotidiane”, ha affermato Doug Weber, responsabile del programma DARPA. “La DARPA sta collaborando con gli scienziati della Food and Drug Administration per aiutare a sviluppare standard per verificare la sicurezza e quantificare i benefici di questa nuova classe di tecnologie avanzate. Ci auguriamo di semplificare il processo di convalida delle tecnologie che possono aiutare i nostri membri del servizio militare e i veterani che sono rimasti feriti mentre prestavano servizio nel nostro Paese”.

DARPA sta valutando diversi approcci tecnici distinti:

Fase 1. Quelli che si dimostreranno efficaci continueranno nella

Fase 2, che integrerà componenti tecnologici selezionati in un sistema di test HAPTIX completo. L’agenzia prevede di avviare le sperimentazioni di un sistema di protesi HAPTIX completo e approvato dalla FDA entro quattro anni.

Il nome HAPTIX è un gioco di parole sulla parola aptica, che si riferisce al senso del tatto. Il programma prevede di adattare uno dei sistemi di arti protesici sviluppati recentemente nell’ambito del programma

Revolutionizing Prosthetics della DARPA per incorporare interfacce che forniscano controllo intuitivo e feedback sensoriale agli utenti. Queste interfacce si baserebbero su tecnologie avanzate di interfaccia neurale sviluppate attraverso il programma

RE-NET (Reliable Neural-Interface Technology) della DARPA.
Ove opportuno, i team di HAPTIX intendono sfruttare le tecnologie disponibili in commercio come gli elettrodi intramuscolari e le tecnologie degli elettrocateteri sviluppate inizialmente per i pacemaker cardiaci e ora utilizzate in diversi moderni dispositivi medici impiantabili. Il programma prevede inoltre di testare tecnologie avanzate di array di microelettrodi e di elettrodi per polsini nervosi che sono state sviluppate negli ultimi due decenni con il supporto del National Institutes of Health, del Department of Veterans Affairs e della DARPA.

              DARPA sta lavorando con team guidati dalle seguenti istituzioni:
            Case Western Reserve University
           Clinica di Cleveland
         Laboratorio Draper
        Nervi Incorporati
       Ripple LLC
        Università di Pittsburgh
       Università dell’Utah
Università della Florida

Per aiutare gli artisti a condurre le loro ricerche in modo più rapido ed economicamente vantaggioso, DARPA fornisce un software di simulazione delle protesi per testare i progetti. Il software include una variante del simulatore DARPA Robotics Challenge (DRC) della Virtual Robotics Challenge di giugno 2013 , che ha contribuito ad accelerare la progettazione iniziale e la valutazione di robot semi-autonomi che potrebbero aiutare negli sforzi di risposta alle emergenze.
“Il simulatore DARPA Robotics Challenge è stato di grande aiuto per la RDC e abbiamo subito visto come l’adattamento del suo ambiente di test virtuale potesse avvantaggiare la ricerca HAPTIX”, ha affermato Weber. “Il simulatore consentirà uno sviluppo rapido ed economico della tecnologia HAPTIX e fornirà inoltre  colmare il divario bioelettronico.

Un nuovo impegno mira a dispositivi completamente impiantabili in grado di connettersi fino a un milione di neuroni
OUTREACH@DARPA.MIL
19/01/2016

Un nuovo programma DARPA mira a sviluppare un’interfaccia neurale impiantabile in grado di fornire una risoluzione del segnale e una larghezza di banda di trasferimento dati senza precedenti tra il cervello umano e il mondo digitale. L’interfaccia fungerebbe da traduttore, convertendo il linguaggio elettrochimico utilizzato dai neuroni nel cervello e gli uno e gli zeri che costituiscono il linguaggio della tecnologia dell’informazione. L’obiettivo è realizzare questo collegamento di comunicazione in un dispositivo biocompatibile non più grande di un centimetro cubo, all’incirca il volume di due nichelini impilati uno dopo l’altro.
Il programma, Neural Engineering System Design (NESD), è destinato a migliorare notevolmente le capacità di ricerca nel campo delle neurotecnologie e a fornire una base per nuove terapie.
“I migliori sistemi di interfaccia cervello-computer di oggi sono come due supercomputer che cercano di comunicare tra loro utilizzando un vecchio modem a 300 baud”, ha affermato Phillip Alvelda, responsabile del programma NESD. “Immaginate cosa sarà possibile quando aggiorneremo i nostri strumenti per aprire davvero il canale tra il cervello umano e l’elettronica moderna”.
Tra le potenziali applicazioni del programma ci sono dispositivi che potrebbero compensare i deficit della vista o dell’udito alimentando informazioni digitali uditive o visive nel cervello con una risoluzione e una qualità esperienziale molto più elevate di quanto sia possibile con la tecnologia attuale.
Le interfacce neurali attualmente approvate per l’uso umano comprimono un’enorme quantità di informazioni attraverso soli 100 canali, ciascuno dei quali aggrega segnali provenienti da decine di migliaia di neuroni alla volta. Il risultato è rumoroso e impreciso. Al contrario, il programma NESD mira a sviluppare sistemi in grado di comunicare in modo chiaro e individuale con uno qualsiasi dei milioni di neuroni in una determinata regione del cervello.
Raggiungere gli ambiziosi obiettivi del programma e garantire che i dispositivi previsti abbiano il potenziale per essere pratici al di fuori di un contesto di ricerca richiederà scoperte integrate in numerose discipline tra cui neuroscienze, biologia sintetica, elettronica a basso consumo, fotonica, confezionamento e produzione di dispositivi medici, sistemi ingegneria e test clinici. Oltre alle sfide hardware del programma, i ricercatori del NESD dovranno sviluppare tecniche matematiche e di neurocalcolo avanzate per transcodificare innanzitutto le informazioni sensoriali ad alta definizione tra rappresentazioni elettroniche e dei neuroni corticali e quindi comprimere e rappresentare tali dati con una perdita minima di fedeltà e funzionalità .
Per accelerare tale processo di integrazione, il programma NESD mira a reclutare un elenco diversificato di principali stakeholder del settore disposti a offrire servizi di prototipazione e produzione all’avanguardia e proprietà intellettuale ai ricercatori NESD su base precompetitiva. Nelle fasi successive del programma, questi partner potrebbero aiutare a trasferire le tecnologie risultanti negli spazi di ricerca e di applicazione commerciale.
Per familiarizzare i potenziali partecipanti con gli obiettivi tecnici del NESD, DARPA ospiterà un incontro del Proposers Day che si svolgerà martedì e mercoledì 2-3 febbraio 2016 ad Arlington, Virginia. L’avviso speciale che annuncia l’incontro del Proposers Day è disponibile su https:/ /www.fbo.gov/spg/ODA/DARPA/CMO/DARPA-SN-16-16/listing.html. Maggiori dettagli sul gruppo industriale che supporterà NESD sono disponibili su https://www.fbo.gov/spg/ODA/DARPA/CMO/DARPA-SN-16-17/listing.html. Un ampio annuncio dell’agenzia che descrive le capacità specifiche ricercate è disponibile all’indirizzo: http://go.usa.gov/cP474.
La DARPA prevede di investire fino a 65 milioni di dollari nel programma NESD in quattro anni.
Il NESD fa parte di un portafoglio più ampio di programmi all’interno della DARPA che supportano l’iniziativa sul cervello del presidente Obama. Per ulteriori informazioni sul lavoro della DARPA in questo ambito, visitare: http://www.darpa.mil/program/our-research/darpa-and-the-brain-initiative .
Didascalia immagine: Il programma Neural Engineering System Design mira a sviluppare un’interfaccia neurale impiantabile in grado di fornire una risoluzione del segnale e una larghezza di banda di trasferimento dati senza precedenti tra il cervello umano e il mondo digitale. (Fonte: Shutterstock)
tre agli amputati un’esperienza realistica per imparare a utilizzare la loro protesi fisica”.

6- Il metodo avanzato CLARITY offre visualizzazioni più rapide e migliori dell’intero cervello
Il nuovo protocollo, finanziato in parte dal programma Neuro-FAST della DARPA, accelera e semplifica l’analisi 3D delle strutture cerebrali
OUTREACH@DARPA.MIL
19/06/2014

Per decenni, la comprensione da parte dei ricercatori della struttura e del funzionamento del cervello è rimasta frammentata a causa delle difficoltà nell’integrare osservazioni e intuizioni a livello delle singole cellule cerebrali, dei circuiti neurali e dell’elaborazione delle informazioni a livello di sistema. Ora un nuovo protocollo di ricerca promette di aiutare a superare questa barriera consentendo agli scienziati di visualizzare il cervello su più scale. Come descritto in un rapporto scientifico recentemente pubblicato, gli artisti finanziati dalla DARPA hanno sviluppato un nuovo protocollo che incorpora due importanti progressi tecnologici che consentono un’applicazione più efficiente del metodo CLARITY per studiare il tessuto cerebrale.
CLARITY utilizza un processo chimico per trasformare il tessuto biologico intatto in un ibrido di tessuto e idrogel, un materiale trasparente che mantiene intatta la struttura tridimensionale del tessuto durante la conservazione. Questo processo consente l’esplorazione e l’analisi dettagliata della fine struttura biologica e molecolare dell’intero cervello. Il nuovo protocollo prevede ancora la formazione di idrogel, ma migliora l’approccio riducendo il rischio di danneggiare il tessuto cerebrale conservato, il che è particolarmente importante quando si lavora con campioni di cervello umano insostituibili.
Il secondo miglioramento riguarda il modo in cui viene visualizzato il tessuto. Con il protocollo CLARITY originale, il processo di imaging era relativamente lento: non era un problema per i cervelli di animali più piccoli, ma un singolo cervello umano avrebbe impiegato circa 80 anni per essere completato. Il nuovo protocollo incorpora un metodo chiamato microscopia a foglio di luce che accelera notevolmente il processo di imaging in modo che la visualizzazione di un intero cervello umano richiederebbe solo circa 220 giorni.
I nuovi metodi sono stati sviluppati con il supporto del programma Neuro Function, Activity, Structure, and Technology (Neuro-FAST) della DARPA dallo stesso gruppo di ricerca dell’Università di Stanford che ha creato la tecnica CLARITY originale. È descritto in dettaglio in un articolo in Nature Protocols ( http://www.nature.com/nprot/journal/v9/n7/full/nprot.2014.123.html ) – il primo articolo con il finanziamento DARPA ad essere pubblicato in un rivista scientifica sottoposta a revisione paritaria sotto l’iniziativa Brain del presidente Obama.
Il programma Neuro-FAST ha come obiettivo lo sviluppo di nuove neurotecnologie per consentire una visualizzazione e decodifica senza precedenti dell’attività cerebrale. La DARPA è interessata a CLARITY per il suo potenziale di rivelare principi fondamentali per la comprensione dei sistemi neurali. Neuro-FAST intende sfruttare in modo più completo il metodo CLARITY integrando nuove scoperte nel campo della genetica, delle tecnologie di registrazione ottica e delle interfacce cervello-computer, con l’obiettivo di comprendere meglio come funzionano i processi cerebrali.
“Da quando esiste la neuroscienza come campo, i ricercatori sono stati limitati nella loro capacità di comprendere l’intero cervello perché non avevano gli strumenti per misurare tutti i dettagli critici dei circuiti neurali”, ha affermato Justin Sanchez, responsabile del programma DARPA. . “La DARPA sta lavorando per costruire il kit di strumenti neurotecnologici per accelerare il tasso di scoperta e innovazione”.
L’investimento previsto della DARPA nel programma Neuro-FAST ammonta a 30 milioni di dollari in quattro anni.

7- Neurotecnologia non chirurgica di nuova generazione
Dottor Gopal Sarma

Il programma Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology (N 3 ) mira a sviluppare interfacce cervello-macchina bidirezionali ad alte prestazioni per i membri del servizio normodotati. Tali interfacce consentirebbero la tecnologia per diverse applicazioni di sicurezza nazionale come il controllo di veicoli aerei senza pilota e sistemi di difesa informatica attivi o la collaborazione con sistemi informatici per eseguire con successo il multitasking durante complesse missioni militari.
Mentre le interfacce neurali più efficaci e all’avanguardia richiedono un intervento chirurgico per impiantare gli elettrodi nel cervello, la tecnologia N 3 non richiederebbe un intervento chirurgico e sarebbe trasportabile dall’uomo, rendendo così la tecnologia accessibile a una popolazione molto più ampia di potenziali utenti. . Neurotecnologie non invasive come l’elettroencefalogramma e la stimolazione transcranica a corrente continua esistono già, ma non offrono la precisione, la risoluzione del segnale e la portabilità richieste per applicazioni avanzate da parte di persone che lavorano in contesti del mondo reale.
La prevista tecnologia N 3 supera i limiti della tecnologia esistente fornendo un dispositivo integrato che non richiede l’impianto chirurgico, ma ha la precisione di leggere e scrivere su 16 canali indipendenti all’interno di un volume di tessuto neurale di 16 mm 3 entro 50 ms. Ciascun canale è in grado di interagire specificamente con le regioni submillimetriche del cervello con una specificità spaziale e temporale che rivaleggia con gli approcci invasivi esistenti. I singoli dispositivi possono essere combinati per fornire la capacità di interfacciarsi con più punti del cervello contemporaneamente.
Per consentire future interfacce cervello-macchina non invasive, i ricercatori N 3 stanno lavorando per sviluppare soluzioni che affrontino sfide come la fisica della dispersione e dell’indebolimento dei segnali mentre attraversano la pelle, il cranio e il tessuto cerebrale, oltre a progettare algoritmi per decodificare e codificare segnali neurali rappresentati da altre modalità come energia luminosa, acustica o elettromagnetica.

8- Sei percorsi verso il futuro non chirurgico delle interfacce cervello-macchina
I team selezionati per il programma di neurotecnologia non chirurgica di nuova generazione della DARPA perseguiranno un mix di approcci per sviluppare interfacce indossabili per la comunicazione con il cervello
OUTREACH@DARPA.MIL
20/05/2019

La DARPA ha assegnato finanziamenti a sei organizzazioni per sostenere il programma Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology (N3 ) , annunciato per la prima volta a marzo 2018 . Il Battelle Memorial Institute, la Carnegie Mellon University, il Laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University, il Palo Alto Research Center (PARC), la Rice University e Teledyne Scientific stanno guidando team multidisciplinari per sviluppare interfacce cervello-macchina bidirezionali ad alta risoluzione per l’uso da parte di persone normodotate. membri del servizio. Queste interfacce indossabili potrebbero in definitiva consentire diverse applicazioni di sicurezza nazionale come il controllo di sistemi di difesa informatica attivi e sciami di veicoli aerei senza pilota, o la collaborazione con sistemi informatici per il multitasking durante missioni complesse.
“La DARPA si sta preparando per un futuro in cui una combinazione di sistemi senza pilota, intelligenza artificiale e operazioni informatiche potrebbe causare conflitti su tempi troppo brevi perché gli esseri umani possano gestirli efficacemente con la sola tecnologia attuale”, ha affermato Al Emondi, il N 3 direttore del programma . “Creando un’interfaccia cervello-macchina più accessibile che non richieda un intervento chirurgico, la DARPA potrebbe fornire strumenti che consentano ai comandanti delle missioni di rimanere significativamente coinvolti in operazioni dinamiche che si svolgono a rapida velocità.”
Negli ultimi 18 anni, la DARPA ha dimostrato neurotecnologie sempre più sofisticate che si basano su elettrodi impiantati chirurgicamente per interfacciarsi con il sistema nervoso centrale o periferico. L’agenzia ha dimostrato risultati come il controllo neurale degli arti protesici e il ripristino del senso del tatto per gli utenti di quegli arti, il sollievo da malattie neuropsichiatriche altrimenti intrattabili come la depressione e il miglioramento della formazione e del richiamo della memoria . A causa dei rischi intrinseci della chirurgia, queste tecnologie sono state finora limitate all’uso da parte di volontari con necessità cliniche.
Affinché la popolazione militare prevalentemente abile possa beneficiare della neurotecnologia, sono necessarie interfacce non chirurgiche. Tuttavia, in realtà, una tecnologia simile potrebbe apportare grandi benefici anche alla popolazione clinica. Eliminando la necessità di un intervento chirurgico, i sistemi N3 cercano di espandere il bacino di pazienti che possono accedere a trattamenti come la stimolazione cerebrale profonda per gestire le malattie neurologiche.
I team N 3 stanno perseguendo una serie di approcci che utilizzano l’ottica, l’acustica e l’elettromagnetismo per registrare l’attività neurale e/o inviare segnali al cervello ad alta velocità e risoluzione. La ricerca si articola su due binari. I team stanno perseguendo interfacce completamente non invasive che sono interamente esterne al corpo o sistemi di interfaccia minuziosamente invasivi che includono nanotrasduttori che possono essere temporaneamente e non chirurgicamente consegnati al cervello per migliorare la risoluzione del segnale.
Il team di Battelle, sotto la guida del ricercatore principale Dr. Gaurav Sharma, mira a sviluppare un sistema di interfaccia minuziosamente invasivo che accoppia un ricetrasmettitore esterno con nanotrasduttori elettromagnetici che vengono consegnati in modo non chirurgico ai neuroni di interesse. I nanotrasduttori convertirebbero i segnali elettrici provenienti dai neuroni in segnali magnetici che possono essere registrati ed elaborati dal ricetrasmettitore esterno e viceversa, per consentire la comunicazione bidirezionale.
Il team della Carnegie Mellon University, sotto la guida del ricercatore principale Dr. Pulkit Grover, mira a sviluppare un dispositivo completamente non invasivo che utilizza un approccio acusto-ottico per registrare dal cervello e campi elettrici interferenti per scrivere a neuroni specifici. Il team utilizzerà le onde ultrasoniche per guidare la luce dentro e fuori il cervello per rilevare l’attività neurale. L’approccio di scrittura del team sfrutta la risposta non lineare dei neuroni ai campi elettrici per consentire la stimolazione localizzata di tipi cellulari specifici.
Il team del Laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University, sotto la guida del ricercatore principale Dr. David Blodgett, mira a sviluppare un sistema ottico coerente e completamente non invasivo per la registrazione dal cervello. Il sistema misurerà direttamente i cambiamenti della lunghezza del percorso ottico nel tessuto neurale correlati all’attività neurale.
Il team PARC, guidato dal ricercatore principale Dr. Krishnan Thyagarajan, mira a sviluppare un dispositivo acustico-magnetico completamente non invasivo per scrivere al cervello. Il loro approccio accoppia le onde ultrasoniche con i campi magnetici per generare correnti elettriche localizzate per la neuromodulazione. L’approccio ibrido offre il potenziale per una neuromodulazione localizzata più in profondità nel cervello.
Il team della Rice University, sotto la guida del ricercatore principale Dr. Jacob Robinson, mira a sviluppare un sistema bidirezionale minuziosamente invasivo per la registrazione e la scrittura nel cervello. Per la funzione di registrazione, l’interfaccia utilizzerà la tomografia ottica diffusa per dedurre l’attività neurale misurando la diffusione della luce nel tessuto neurale. Per abilitare la funzione di scrittura, il team utilizzerà un approccio magnetogenetico per rendere i neuroni sensibili ai campi magnetici.
Il team di Teledyne, guidato dal ricercatore principale Dr. Patrick Connolly, mira a sviluppare un dispositivo integrato completamente non invasivo che utilizzi micro magnetometri pompati otticamente per rilevare piccoli campi magnetici localizzati correlati all’attività neurale. Il team utilizzerà gli ultrasuoni focalizzati per scrivere sui neuroni.
Nel corso del programma, la ricerca trarrà vantaggio dalle informazioni fornite da esperti legali ed etici indipendenti che hanno accettato di fornire approfondimenti sui progressi di N 3 e di considerare le potenziali future applicazioni militari e civili e le implicazioni della tecnologia. Inoltre, i regolatori federali stanno collaborando con la DARPA per aiutare i team a comprendere meglio l’autorizzazione per uso umano man mano che la ricerca inizia. Man mano che il lavoro procede, questi regolatori aiuteranno a guidare le strategie per la presentazione delle domande di esenzione per i dispositivi sperimentali e per i nuovi farmaci sperimentali per consentire la sperimentazione umana dei sistemi N 3 durante l’ultima fase del programma quadriennale.
“Se N 3 avrà successo, ci ritroveremo con sistemi di interfaccia neurale indossabili in grado di comunicare con il cervello da una distanza di pochi millimetri, spostando la neurotecnologia oltre la clinica e nell’uso pratico per la sicurezza nazionale”, ha detto Emondi. “Proprio come i membri del servizio indossano indumenti protettivi e tattici in preparazione per una missione, in futuro potrebbero indossare un auricolare contenente un’interfaccia neurale, utilizzare la tecnologia come necessario, quindi mettere da parte lo strumento una volta completata la missione.”
Ulteriori dettagli sul palinsesto e sui parametri del programma sono disponibili nell’annuncio generale dell’agenzia del 2018: https://go.usa.gov/xmK4s .

9- Ripristino della memoria attiva (RAM) (archiviata)

Il programma Restoring Active Memory (RAM) mira a mitigare gli effetti della lesione cerebrale traumatica (TBI) nei membri del servizio militare sviluppando neurotecnologie per facilitare la formazione della memoria e il richiamo nel cervello ferito. Dal 2000, a più di 270.000 membri del Servizio è stato diagnosticato un trauma cranico 1 . La condizione spesso si traduce in una ridotta capacità di recuperare i ricordi formatisi prima della lesione e in una ridotta capacità di formare o conservare nuovi ricordi dopo la lesione. Nonostante la portata del problema, attualmente esistono poche terapie efficaci per mitigare le conseguenze a lungo termine del trauma cranico sulla memoria. Permettere il ripristino della funzione della memoria sosterrebbe la prontezza militare fornendo al personale ferito la possibilità di tornare in servizio e migliorerebbe la qualità della vita dei veterani feriti.
L’obiettivo finale della DARPA per il programma RAM è sviluppare e testare un’interfaccia neurale wireless e completamente impiantabile per uso clinico umano. Per raggiungere questo obiettivo, il programma unisce ricerca fondamentale e sviluppo tecnologico. Gruppi di artisti stanno costruendo modelli computazionali multiscala con elevata risoluzione spaziale e temporale che descrivono come i neuroni codificano le memorie dichiarative, ovvero le parti ben definite di conoscenza che possono essere richiamate consapevolmente e descritte in parole, come eventi, tempi e luoghi. I team stanno anche esplorando nuovi metodi per analizzare e decodificare i segnali neurali per capire come applicare una stimolazione mirata per aiutare a ripristinare la funzione del cervello ferito.
Basandosi su questo lavoro fondamentale, i ricercatori stanno integrando i modelli computazionali in nuovi sistemi impiantabili a circuito chiuso in grado di fornire stimolazione neurale mirata per ripristinare la normale funzione della memoria. Volontari che vivono con deficit nella codifica e/o nel recupero delle memorie dichiarative e/o volontari sottoposti a neurochirurgia per altre condizioni neurologiche stanno prendendo parte a studi clinici sull’uomo per aiutare a testare e perfezionare i sistemi RAM. RAM supporta anche gli studi sugli animali per far avanzare lo stato dell’arte dei modelli quantitativi che tengono conto della codifica e del recupero di ricordi complessi e attributi della memoria, comprese le loro associazioni gerarchiche tra loro. Questo lavoro si propone di identificare eventuali correlati neurali e comportamentali caratteristici dei ricordi facilitati dai dispositivi terapeutici.
Il programma RAM è informato da esperti indipendenti di implicazioni etiche, legali e sociali (ELSI) per aiutare la DARPA a identificare in modo proattivo potenziali problemi legati alla memoria e alla neurotecnologia. Le comunicazioni con gli esperti ELSI integrano la supervisione standard fornita dai comitati di revisione istituzionali che regolano gli studi clinici sull’uomo e l’uso sugli animali.

Riproduzione RAM

RAM Replay mira a supportare l’addestramento e l’efficacia militare utilizzando interventi non invasivi per accelerare e migliorare le prestazioni di competenze complesse e rilevanti per il settore militare da parte di individui sani. La DARPA prevede che le capacità sviluppate nell’ambito di RAM Replay si tradurranno direttamente nell’addestramento dei compiti operativi del Dipartimento della Difesa (DoD) e potrebbero migliorare la prontezza militare riducendo il tempo necessario per rispondere a minacce impreviste.
Il programma sta sviluppando nuovi sistemi a circuito chiuso e non invasivi che sfruttano il ruolo della “replay” neurale nella formazione e nel richiamo della memoria per aiutare le persone a ricordare meglio eventi episodici specifici e abilità apprese. La riproduzione è un processo nel cervello che avviene durante la veglia e il sonno per consolidare la memoria. Nello sforzo di RAM Replay, i sistemi sono progettati per rilevare, modellare e facilitare i correlati in tempo reale del replay negli esseri umani, sfruttando la neurofisiologia e altri fattori tra cui lo stato fisiologico e gli elementi esterni nell’ambiente circostante. Le nuove strategie di intervento in fase di sviluppo aiutano i ricercatori a determinare non solo quali componenti neurali, fisiologiche e ambientali contano per la formazione e il richiamo della memoria, ma anche quanto contano.
Per facilitare la transizione delle neurotecnologie RAM Replay, i team di artisti convalidano le loro valutazioni e strategie di intervento utilizzando compiti simulati rilevanti per il DoD invece dei paradigmi comportamentali convenzionali comunemente usati per valutare la memoria in ambienti di laboratorio.

Nota a piè di pagina: 1Fonte: Faul M, Xu L, Wald MM, Coronado VG. Lesione cerebrale traumatica negli Stati Uniti: visite al pronto soccorso, ricoveri e decessi 2002-2006. Atlanta (GA): Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie, Centro nazionale per la prevenzione e il controllo degli infortuni; 2010.
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10- Rivoluzionare le protesi (archiviati)

Grazie ai miglioramenti nell’armatura e nella cura delle vittime del combattimento, i membri del servizio militare ora sopravvivono a gravi ferite sul campo di battaglia che comportano l’amputazione traumatica degli arti. Tuttavia, poiché questi sopravvissuti sono prevalentemente giovani, devono convivere con le ferite riportate per decenni. Ciò riduce gravemente la qualità della vita delle persone colpite e pone un’enorme responsabilità sul sistema medico e riabilitativo militare. Il programma Revolutionizing Prosthetics cerca di affrontare queste sfide ripristinando il controllo quasi naturale della mano e del braccio per le persone che vivono con la perdita di un arto superiore. Le tecnologie risultanti potrebbero migliorare la riabilitazione dei combattenti, ripristinare la funzionalità e l’indipendenza delle persone che vivono con amputazioni o paralisi e offrire ai guerrieri feriti la prospettiva di un eventuale ritorno in servizio.
I team di artisti rivoluzionari nel settore delle protesi hanno sviluppato due prototipi di sistemi di bracci protesici modulari, avanzati e antropomorfi, compresi gli invasature, che offrono agli utenti maggiore destrezza, forza e gamma di movimento rispetto agli arti protesici tradizionali. Il programma ha sviluppato la neurotecnologia per consentire il controllo neurale diretto di questi sistemi, nonché mezzi di controllo non invasivi. La DARPA sta anche studiando il ripristino della sensibilità, collegando i sensori ai sistemi del braccio e restituendo il feedback tattile dal braccio direttamente al cervello dei volontari.
Il sistema LUKE Arm è stato originariamente sviluppato per DARPA da DEKA Research and Development Corporation. Il braccio modulare alimentato a batteria consente movimenti abili del braccio e della mano attraverso un sistema di controllo semplice e intuitivo che consente agli utenti di muovere più articolazioni contemporaneamente. Anni di test e ottimizzazione in collaborazione con il Department of Veterans Affairs hanno portato all’approvazione da parte della Food and Drug Administration statunitense nel maggio 2014 e alla creazione di un produttore su scala commerciale, Mobius Bionics , nel luglio 2016. Nel giugno 2017, i primi due LUKE Ai veterani venivano prescritti sistemi d’arma .
L’ arto protesico modulare , sviluppato per DARPA dal laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University, è un sistema di mano e braccio più complesso progettato principalmente come strumento di ricerca. Viene utilizzato per testare il controllo neurale diretto di una protesi. Negli studi, i volontari che vivono con paralisi hanno dimostrato il controllo multidimensionale della mano e del braccio utilizzando serie di elettrodi posizionati sul loro cervello, nonché il ripristino della sensazione tattile tramite un’interfaccia a circuito chiuso che collega il cervello con i sensori tattili nel sistema del braccio.
Oltre ai benefici dimostrati per i veterani disabili, le abili capacità dimostrate dal programma Revolutionizing Prosthetics sono già state applicate a piccoli sistemi robotici utilizzati dai militari per manipolare ordigni inesplosi.

11- Neurotecnologie basate su sistemi per terapie emergenti (SOTTORETI) (archiviati)

Il programma Systems-Based Neurotechnology for Emerging Therapies (SUBNETS) mira a migliorare la salute delle forze armate utilizzando la neurotecnologia come base per trattamenti efficaci, informati e precisi per le malattie neuropsichiatriche nei membri del servizio militare. Gli effetti di tali malattie, provocate dalla guerra, da lesioni traumatiche e da altre esperienze, rimangono difficili da trattare. Gli attuali approcci terapeutici – chirurgia, farmaci e psicoterapia – possono spesso aiutare ad alleviare gli effetti peggiori di malattie come la depressione maggiore e lo stress post-traumatico, ma sono imprecisi e non universalmente efficaci. Attraverso SUBNETS, DARPA cerca di generare la conoscenza e la tecnologia necessarie per fornire sollievo ai pazienti affetti da malattie neuropsichiatriche altrimenti intrattabili.
La visione di SUBNETS è distinta dagli attuali approcci terapeutici in quanto cerca di creare un sistema diagnostico e terapeutico impiantato a circuito chiuso per il trattamento, e forse anche la cura, delle malattie neuropsichiatriche. Questa visione si basa sulla comprensione che la funzione cerebrale – e la disfunzione, nel caso della malattia neuropsichiatrica – si manifesta attraverso sistemi neurali distribuiti, invece di essere strettamente relegati a distinte regioni anatomiche del cervello. Il programma mira inoltre a sfruttare la plasticità neurale, una caratteristica del cervello mediante la quale l’anatomia e la fisiologia dell’organo si modificano nel tempo per supportare la normale funzione cerebrale. A causa della plasticità,
Attraverso la misurazione dei percorsi coinvolti nei disturbi cerebrali basati su sistemi complessi, tra cui stress post-traumatico, depressione maggiore, personalità borderline, ansia generale, lesioni cerebrali traumatiche, abuso e dipendenza da sostanze e fibromialgia/dolore cronico, SUBNETS persegue la capacità di registrare e modellare come questi sistemi funzionano sia in condizioni normali che anormali tra i volontari che cercano un trattamento per disturbi neurologici non correlati e tra i partecipanti alla ricerca clinica compromessi. SUBNETS utilizza questi modelli per determinare metodologie di stimolazione terapeutica sicure ed efficaci. I modelli saranno adattati su stimolatori neurali a circuito chiuso di prossima generazione che superano le capacità attualmente sviluppate per la stimolazione e la registrazione simultanee, con l’obiettivo di fornire a ricercatori e medici una capacità senza precedenti di registrare, analizzare, e stimolare più regioni cerebrali per scopi terapeutici. La DARPA intende che il programma SUBNETS culmini con dimostrazioni tecnologiche e presentazione di dispositivi per l’approvazione da parte della Food and Drug Administration statunitense.
SUBNETS è progettato per far avanzare la neuropsichiatria oltre il regno delle osservazioni guidate dal dialogo e nel regno della terapia guidata da caratteristiche quantificabili dello stato neurale. In tal modo, il programma creerebbe uno dei set di dati più completi sull’attività cerebrale basata sui sistemi mai registrato. In caso di successo, SUBNETS porterà a una terapia neurotecnologica informata e precisa per produrre importanti miglioramenti nella qualità della vita dei membri del servizio e dei veterani con malattie neuropsicologiche che hanno pochissime opzioni con le terapie esistenti.
SUBNETS è informato da esperti ELSI (Ethical, Legal, and Social Implications) indipendenti per aiutare la DARPA a identificare in modo proattivo potenziali problemi legati all’uso della neurotecnologia. Le comunicazioni con gli esperti ELSI integrano la supervisione standard fornita dai comitati di revisione istituzionali che regolano gli studi clinici sull’uomo e l’uso sugli animali.

pazienti in attesa di un intervento chirurgico per l’epilessia. I ricercatori hanno posizionato temporaneamente gli elettrodi nel cervello per scopi di monitoraggio clinico delle crisi epilettiche. Ogni paziente aveva un leggero diverso modello di posizionamento degli elettrodi. Credito: Chang Lab, UCSF. Animazione di Ben Speidel.)

Inizia il viaggio alla scoperta della comprensione e del trattamento delle reti cerebrali
Il programma SUBNETS comprende due percorsi di ricerca complementari che enfatizzano la plasticità neurale e la registrazione di un singolo neurone
OUTREACH@DARPA.MIL
27/05/2014

Il lavoro sul programma Systems-Based Neurotechnology for Emerging Therapies (SUBNETS) della DARPA inizierà con i team guidati dall’UC San Francisco (UCSF) e dal Massachusetts General Hospital (MGH). Il programma SUBNETS mira a ridurre la gravità delle malattie neuropsicologiche nei militari e nei veterani sviluppando terapie a circuito chiuso che incorporano la registrazione e l’analisi dell’attività cerebrale con stimolazione neurale quasi in tempo reale. Il programma, che utilizzerà dispositivi di prossima generazione ispirati all’attuale tecnologia di stimolazione cerebrale profonda (DBS), è stato lanciato a sostegno dell’iniziativa sul cervello del presidente Obama.
UCSF e MGH supervisioneranno team di medici, ingegneri e neuroscienziati che lavoreranno insieme per sviluppare interfacce cerebrali avanzate, modelli computazionali dell’attività neurale e terapie cliniche per il trattamento delle reti cerebrali. I team collaboreranno con l’industria commerciale e il governo, compresi i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory e di Medtronic , per applicare un’ampia gamma di prospettive alle sfide tecnologiche coinvolte.
SUBNETS si basa sulla comprensione che la funzione cerebrale – e la disfunzione, nel caso di malattie neuropsicologiche – si manifesta attraverso sistemi neurali distribuiti, invece di essere strettamente relegati a distinte regioni anatomiche del cervello. Il programma mira inoltre a sfruttare la plasticità neurale, una caratteristica del cervello mediante la quale l’anatomia e la fisiologia dell’organo possono alterarsi nel tempo per supportare la normale funzione cerebrale. La plasticità va contro l’idea precedentemente sostenuta secondo cui il cervello adulto è un’entità “finita” che può essere mappata staticamente. A causa della plasticità, i ricercatori sono ottimisti sul fatto che il cervello possa essere addestrato o trattato per ripristinare la normale funzionalità dopo un infortunio o l’insorgenza di una malattia neuropsicologica.
“Il cervello è molto diverso da tutti gli altri organi a causa della sua rete e adattabilità”, ha affermato Justin Sanchez, responsabile del programma DARPA per SUBNETS. “Le interfacce neurali in tempo reale e a circuito chiuso ci consentono di andare oltre la tradizionale visione statica del cervello e di entrare nel regno della terapia di precisione. Questa mancanza di comprensione di come la malattia mentale si manifesta specificamente nel cervello ha limitato l’efficacia delle opzioni terapeutiche esistenti, ma attraverso SUBNETS speriamo di cambiare la situazione. La DARPA è alla ricerca di modi per caratterizzare quali regioni entrano in gioco per condizioni diverse, misurate dalle reti cerebrali fino al livello del singolo neurone, e sviluppare dispositivi terapeutici in grado di registrare l’attività, fornire stimoli mirati e, soprattutto, regolare automaticamente la terapia mentre il cervello stesso cambia.
L’approccio del team dell’UCSF è quello di sviluppare un dispositivo che si concentri sulle regioni del cervello coinvolte nella malattia psichiatrica o neurologica di un individuo. Il dispositivo utilizzerà la registrazione diretta, la stimolazione e approcci terapeutici per incoraggiare la plasticità neurale, con l’obiettivo di riabilitare i circuiti che sembrano guidare la patologia e liberare un individuo da sintomi psichiatrici o neurologici. In caso di successo, l’approccio consentirebbe l’eventuale rimozione del dispositivo.
Il team dell’MGH perseguirà un approccio “trans-diagnostico” per valutare i componenti comuni delle malattie psichiatriche e neurologiche – tratti comuni a molte di queste sindromi, tra cui aumento dell’ansia, ridotta capacità di ricordare o reazioni inappropriate agli stimoli – attraverso test comportamentali qualitativi e quantitativi combinati con registrazioni ad alta fedeltà e in tempo reale di un singolo neurone. In caso di successo, questo metodo consentirà ai ricercatori di seguire le tracce della patologia dall’attivazione individuale dei neuroni, attraverso studi di imaging del comportamento della rete neurale e test che possono essere eseguiti in ambito clinico. Potrebbe anche portare a trattamenti più mirati per le malattie psichiatriche e migliorare la capacità dei medici di fare diagnosi accurate.
Il piano del programma SUBNETS prevede che la ricerca venga condotta nei prossimi cinque anni secondo un programma di tappe fondamentali prescritte, che culmineranno in dimostrazioni tecnologiche e nella presentazione di dispositivi per l’approvazione da parte della Food and Drug Administration statunitense.
“La DARPA si occupa di creare non solo scienza, ma nuove tecnologie”, ha affermato Sanchez. “Le neurotecnologie che lavoreremo per sviluppare nell’ambito di SUBNETS potrebbero fornire nuovi strumenti alla comunità medica per curare i pazienti che non rispondono ad altre terapie, e nuove conoscenze alla comunità delle neuroscienze per espandere la comprensione della funzione cerebrale. Crediamo che questo sarà un programma fondamentale”.
I contenuti multimediali pubblicati su www.darpa.mil possono essere riutilizzati secondo i termini dell’accordo di utilizzo della DARPA, disponibile all’indirizzo: http://www.darpa.mil/policy/usage-policy .

SUBNETS mira alla neurotecnologia basata sui sistemi e alla comprensione per il trattamento delle malattie neuropsicologiche
DARPA cerca di sviluppare una nuova tecnologia per consentire misurazioni e analisi quasi in tempo reale nei sistemi cerebrali per guidare terapie di stimolazione neurale precise
OUTREACH@DARPA.MIL
25/10/2013

Nonostante i migliori sforzi dei Dipartimenti della Difesa e degli Affari dei Veterani per proteggere la salute dei militari e dei veterani statunitensi, gli effetti delle malattie neuropsicologiche causate dalla guerra, dalle lesioni traumatiche e da altre esperienze non sono sempre facilmente curabili. Sebbene gli approcci attuali possano spesso aiutare ad alleviare gli effetti peggiori di queste malattie, sono imprecisi e non universalmente efficaci. La domanda di nuove terapie è elevata poiché i disturbi mentali sono la principale causa di degenza in ospedale e la seconda causa di visite mediche per i militari in servizio attivo. 1 Tra i veterani, al 10% di quelli che ricevono cure dalla Veterans’ Health Administration viene fornita assistenza per la salute mentale o consulenza sull’abuso di sostanze. 2
La DARPA ha creato il programma Systems-Based Neurotechnology for Emerging Therapies (SUBNETS) per perseguire progressi nelle neuroscienze e nelle neurotecnologie che potrebbero portare a una nuova comprensione clinica di come le malattie neuropsicologiche si manifestano nel cervello e a terapie avanzate per ridurre il carico e la gravità della malattia nei pazienti affetti. truppe e veterani. Il programma perseguirà un nuovo approccio investigativo che stabilisca le caratteristiche dei sistemi neurali distribuiti e tenti di sviluppare e applicare terapie che incorporino registrazione, analisi e stimolazione quasi in tempo reale in dispositivi di prossima generazione ispirati all’attuale stimolazione cerebrale profonda (DBS).
La DBS esiste già come opzione terapeutica per alcune malattie neurologiche e neuropsicologiche in pazienti che non rispondono ad altre terapie. Circa 100.000 persone in tutto il mondo vivono con un impianto DBS, 3 un dispositivo che fornisce stimolazione elettrica per ridurre il deficit motorio causato dal morbo di Parkinson e dalla distonia. Questi dispositivi vengono studiati anche come terapia per la depressione, il disturbo ossessivo compulsivo, la sindrome di Tourette e l’epilessia.
Nonostante i recenti progressi, medici e ricercatori rimangono limitati dagli strumenti disponibili per studiare, comprendere e trattare i sistemi del cervello. Per ottenere il massimo beneficio, i medici sono spesso costretti a completare un ciclo lento, ripetitivo e impreciso di osservazione dei comportamenti e di messa a punto di farmaci o terapie comportamentali fino a quando gli effetti di una malattia non vengono ridotti. La scienza, fino a questo punto, si è basata in gran parte su un secolo di identificazione di associazioni tra caratteristiche di comportamenti complessi e comprensione diffusa del cervello.
SUBNETS cerca di andare oltre questa comprensione limitata per creare nuovi interventi basati su nuove intuizioni che possono essere ottenute dall’intersezione tra neuroscienza, neurotecnologia e terapia clinica. Sebbene non ci siano dubbi sul fatto che l’attività cerebrale, l’anatomia e il comportamento siano funzionalmente collegati, vi è un crescente numero di prove che suggeriscono che molti processi neurali e comportamentali non sono localizzati in specifiche regioni anatomiche, ma emergono da sistemi che si estendono su diverse regioni del cervello. cervello. SUBNETS tenterà di stabilire la capacità di registrare e modellare il modo in cui questi sistemi funzionano in entrambe le condizioni normali, tra i volontari 4 che cercano un trattamento per disturbi neurologici non correlati, nonché tra i partecipanti alla ricerca clinica con problemi.
La DARPA è specificamente interessata a valutare i sistemi sottostanti che contribuiscono alle seguenti condizioni descritte dal Manuale diagnostico e statistico dei disturbi mentali: disturbo da stress post-traumatico, depressione maggiore, disturbo borderline di personalità e disturbo d’ansia generale. La DARPA mira anche a valutare la rappresentazione nel sistema nervoso centrale di: lesione cerebrale traumatica, abuso/dipendenza da sostanze e fibromialgia/dolore cronico.
“Se SUBNETS avrà successo, farà avanzare la neuropsichiatria oltre il regno delle osservazioni guidate dal dialogo e dei conseguenti tentativi ed errori e nel regno della terapia guidata da caratteristiche quantificabili dello stato neurale”, ha affermato Justin Sanchez, responsabile del programma DARPA. “SUBNETS è una spinta verso una terapia neurotecnologica innovativa, informata e precisa per produrre importanti miglioramenti nella qualità della vita per i militari e i veterani che hanno pochissime opzioni con le terapie esistenti. Si tratta di pazienti per i quali l’attuale conoscenza medica di malattie come dolore cronico o affaticamento, depressione ingestibile o grave disturbo da stress post-traumatico non può fornire un sollievo significativo”.
Come descritto in un ampio annuncio dell’agenzia, il lavoro richiederà lo sviluppo di nuovi hardware medici, modelli complessi di sistemi neurali umani, neurologia clinica e ricerca sugli animali. La DARPA prevede che i team di successo si estenderanno a discipline tra cui psichiatria, neurochirurgia, ingegneria neurale, microelettronica, neuroscienze, statistica e modellistica computazionale.
“Stiamo parlando di un approccio sistemico al cervello, non di un esame malattia per malattia di un singolo processo o di un sottoinsieme di processi”, ha detto Sanchez. “SUBNETS rappresenterà un lavoro di squadra interdisciplinare ed espansivo e il programma integrerà e si baserà sugli investimenti storici nella ricerca DARPA”.
Poiché programmi come SUBNETS rappresentano l’avanguardia della scienza, a volte rappresentano il primo incontro della società con i dilemmi associati alle nuove tecnologie. La DARPA persegue queste tecnologie per la loro promessa, ma l’Agenzia comprende che è importante considerare questioni etiche, legali, sociali e politiche. Per questo motivo, la DARPA ha convocato un comitato per le implicazioni etiche, legali e sociali (ELSI) per informare e consigliare SUBNETS e altri sforzi emergenti nel campo delle neuroscienze. I membri del panel rappresentano la comunità accademica, gli esperti di etica medica e gli scienziati clinici e ricercatori.
La richiesta completa di SUBNETS è disponibile all’indirizzo: http://go.usa.gov/Wa2Y.

12- Allenamento mirato sulla neuroplasticità (TNT)
La dottoressa Joeanna Arthur

Il programma Targeted Neuroplasticity Training (TNT) supporta una formazione migliorata e accelerata del personale militare in compiti sfaccettati e complessi. Il programma sta studiando l’uso della neurotecnologia non invasiva in combinazione con la formazione per potenziare la segnalazione neurochimica nel cervello che media la plasticità neurale e facilita il mantenimento a lungo termine di nuove capacità cognitive. In caso di successo, la tecnologia TNT si applicherebbe a un’ampia gamma di esigenze rilevanti per la difesa, tra cui l’apprendimento delle lingue straniere, l’abilità di tiro, la crittografia, la discriminazione dei bersagli e l’analisi dell’intelligence, migliorando i risultati e riducendo al contempo i costi e la durata del vasto regime di formazione del Dipartimento della Difesa.
TNT si concentra su un tipo specifico di apprendimento: la formazione sulle abilità cognitive. La premessa è che durante i momenti ottimali del processo di allenamento, l’attivazione precisa dei nervi periferici attraverso la stimolazione può aumentare il rilascio di sostanze chimiche cerebrali come acetilcolina, dopamina, serotonina e norepinefrina che promuovono e rafforzano le connessioni neuronali nel cervello. Questi cosiddetti neuromodulatori svolgono un ruolo nella regolazione della plasticità sinaptica, il processo mediante il quale le connessioni tra i neuroni cambiano per migliorare la funzione cerebrale durante l’apprendimento. Combinando la neurostimolazione periferica con le pratiche di allenamento convenzionali, il programma TNT cerca di sfruttare i circuiti neurali endogeni per migliorare l’apprendimento facilitando la sintonizzazione delle reti neurali responsabili delle funzioni cognitive.
La DARPA sta adottando un approccio a più livelli per esplorare questo nuovo terreno. La ricerca fondamentale si concentra sull’acquisizione di una comprensione più chiara e completa di come la stimolazione nervosa influenza la plasticità sinaptica, di come i processi di apprendimento delle abilità cognitive sono regolati nel cervello e di come potenziare questi processi per accelerare in modo sicuro l’acquisizione di abilità evitando potenziali effetti collaterali. La parte ingegneristica del programma si concentra sullo sviluppo di metodi non invasivi per fornire la stimolazione dei nervi periferici che migliora la plasticità nelle regioni cerebrali responsabili delle funzioni cognitive. La ricerca su soggetti umani aiuterà a determinare in che misura la stimolazione dei nervi periferici aiuta nelle principali attività di allenamento. Inoltre,
TNT è informata da esperti indipendenti in materia di implicazioni etiche, legali e sociali (ELSI) per aiutare la DARPA a identificare in modo proattivo potenziali problemi legati all’uso della neurotecnologia. Le comunicazioni con gli esperti ELSI integrano la supervisione standard fornita dai comitati di revisione istituzionali che regolano gli studi clinici sull’uomo e l’uso sugli animali.

Le scoperte ispirano speranza per il trattamento dei disturbi dell’umore intrattabili
Uno dei primi programmi di ricerca annunciati nell’ambito dell’iniziativa BRAIN della Casa Bianca dimostra il potenziale dell’uso della neurotecnologia impiantata per curare le malattie mentali
OUTREACH@DARPA.MIL
30/11/2018

Quattro anni fa la DARPA annunciò l’inizio di un “viaggio di scoperta”verso la comprensione e il trattamento delle reti del cervello. Il programma Systems-Based Neurotechnology for Emerging Therapies (SUBNETS) propone di sviluppare terapie reattive, adattabili e a circuito chiuso per le malattie neuropsichiatriche che incorporano la registrazione e l’analisi dell’attività cerebrale con stimolazione neurale quasi in tempo reale per correggere o mitigare la disfunzione cerebrale. La premessa di SUBNETS è che le funzioni e le disfunzioni cerebrali – anziché essere relegate a regioni anatomiche distinte del cervello – si manifestano attraverso sistemi neurali distribuiti. Comprendendo come si presenta un’attività cerebrale sana in queste sottoreti, confrontandola con un’attività cerebrale malsana e identificando biomarcatori predittivi che indicano un cambiamento di stato, DARPA prevede di sviluppare interventi che mantengano uno stato cerebrale sano all’interno di una gamma normale di emozioni.
Questo autunno, in tre pubblicazioni consecutive, i ricercatori guidati dall’Università della California, San Francisco (UCSF), uno dei due principali esecutori di SUBNETS, insieme al Massachusetts General Hospital, hanno condiviso alcune scoperte. Innanzitutto, hanno sviluppato una tecnologia di decodifica in grado di prevedere i cambiamenti dell’umore dai segnali neurali registrati. Successivamente, hanno identificato una specifica sottorete del cervello che sembra contribuire all’umore depresso, soprattutto nelle persone con ansia esistente. Infine, più recentemente, hanno riferito di essere in grado di alleviare i sintomi della depressione da moderata a grave utilizzando la stimolazione neurale a circuito aperto erogata alla regione della corteccia orbitofrontale (OFC) del cervello per modulare una sottorete che contribuisce alla depressione. Questi risultati a cascata sono apparsi su Nature Biotechnology ,Cell e Current Biology rispettivamente da settembre a novembre 2018.
Justin Sanchez, direttore dell’Ufficio per le tecnologie biologiche della DARPA, supervisiona il programma SUBNETS. Spiegando la motivazione alla base del lavoro, ha affermato: “Ci sono milioni di veterani negli Stati Uniti che soffrono di malattie neuropsichiatriche e per molti di loro i trattamenti esistenti non offrono un sollievo significativo. Le loro esperienze con la malattia mentale sono state essenzialmente una scatola nera contro la quale i medici tentano una combinazione di farmaci e consulenza, ma poiché ci manca una comprensione meccanicistica di come queste malattie si manifestano nel cervello, questi interventi sono limitati nella loro efficacia e applicabilità. È estremamente frustrante per i pazienti non sapere perché si sentono in un certo modo e non essere in grado di correggerli. Dobbiamo a loro e alle loro famiglie opzioni migliori”.
L’approccio della DARPA era quello di stabilire se le neurotecnologie avanzate possono offrire terapie più efficaci e personalizzate che rispondono ai cambiamenti dello stato cerebrale di un individuo per mantenere l’attività neurale entro un intervallo sano. Parte di quel lavoro consisteva nel chiarire cosa accade all’interno delle sottoreti del cervello mentre si sviluppano le malattie neuropsichiatriche per aiutare i medici a sviluppare strategie di intervento nuove e più efficaci.
“I risultati che abbiamo dimostrato in soli quattro anni dall’inizio di SUBNETS hanno convalidato l’approccio della DARPA e illuminato un percorso verso lo sviluppo di un sistema a circuito chiuso che risponda alle esigenze specifiche dei pazienti”, ha affermato Sanchez.
Nel primo articolo, pubblicato a settembre, i ricercatori dell’Università della California del Sud (USC) hanno descritto come hanno sviluppato un sistema di decodifica dell’umore. Il team dell’USC ha collaborato con l’UCSF per raccogliere dati da volontari tra un gruppo di pazienti con epilessia a cui erano già stati inseriti elettrodi intracranici nel cervello per il monitoraggio clinico standard per individuare le convulsioni. In breve, secondo l’USC, “Segnali cerebrali su larga scala sono stati registrati da questi elettrodi nei volontari per più giorni presso l’UCSF, mentre hanno anche riportato in modo intermittente i loro stati d’animo utilizzando un questionario. Usando la loro metodologia, i ricercatori sono stati in grado di scoprire i modelli di segnali cerebrali che corrispondevano agli stati d’animo auto-riferiti. Hanno poi utilizzato questa conoscenza per costruire un decodificatore in grado di riconoscere in modo indipendente i modelli di segnali corrispondenti a un determinato umore. Una volta costruito, il decodificatore ha misurato solo i segnali cerebrali per prevedere le variazioni dell’umore in ciascun paziente nell’arco di più giorni”.
All’inizio di novembre, il team dell’UCSF ha riferito di aver identificato modelli localizzati di attività cerebrale – comuni a più volontari – che potrebbero essere responsabili di sentimenti di umore basso, in particolare nelle persone inclini all’ansia. Sono stati in grado di mappare questi sentimenti con l’attività dell’ippocampo e dell’amigdala, regioni del cervello che sono state a lungo collegate rispettivamente alla memoria e alle emozioni negative. In particolare, quel collegamento era del tutto assente in altri otto partecipanti alla ricerca, i quali avevano tutti livelli relativamente bassi di ansia preesistente, suggerendo nuove domande su come il cervello delle persone inclini all’ansia possa differire da quello degli altri nel modo in cui elaborano le situazioni emotive.
Più recentemente, l’UCSF ha annunciato il successo dell’utilizzo della stimolazione a circuito aperto dell’OFC per alleviare la depressione. Gli scienziati non avevano precedentemente riconosciuto l’OFC come un obiettivo rilevante per la stimolazione. Nel documento di Current Biology, i ricercatori spiegano come e perché hanno selezionato l’OFC e notano: “La stimolazione unilaterale dell’OFC laterale ha prodotto un miglioramento acuto dello stato dell’umore dose-dipendente in soggetti con depressione basale da moderata a grave. Le risposte comportamentali alla stimolazione non includevano l’ipomania e indicavano un ripristino acuto dello stato dell’umore non depresso”. La stimolazione dell’OFC funziona, hanno proposto, perché ha l’effetto di modulare le reti cerebrali su larga scala coinvolte nell’elaborazione emotiva. La stimolazione di altri potenziali bersagli non ha prodotto risultati altrettanto robusti o affidabili, hanno riferito.
La stimolazione dell’OFC è servita a correggere l’umore solo nei partecipanti alla ricerca che mostravano depressione; non ha avuto alcun effetto sui partecipanti che non erano depressi. Inoltre, nei partecipanti con depressione, la stimolazione non ha indotto sintomi di mania, come iperattività, grandiosità o distraibilità. Quei pazienti hanno sperimentato velocità di linguaggio elevate, ma solo a livelli simili a quelli degli individui non depressi, correggendo il rallentamento del linguaggio caratteristico degli individui che mostrano depressione. I ricercatori hanno concluso: “Questi risultati suggeriscono che l’effetto della stimolazione OFC laterale è quello di normalizzare o sopprimere l’attività patologica nei circuiti che mediano la variazione naturale dell’umore”, ripristinando i modelli di attività cerebrale che si verificavano naturalmente durante gli stati d’animo positivi prima della stimolazione.
Questi risultati comprendono scoperte e tecnologie chiave per raggiungere l’obiettivo SUBNETS di un sistema a circuito chiuso in grado di rilevare i cambiamenti dinamici in corso nell’attività cerebrale associati alle fluttuazioni dell’umore e che può utilizzare queste informazioni per fornire una stimolazione terapeutica tempistica con precisione per migliorare la funzione cerebrale in individui che vivono con malattie neuropsichiatriche.
Sanchez prevede che, man mano che SUBNETS inizierà a chiudersi nel prossimo anno, i risultati del programma ispireranno ulteriori investimenti e interesse per la transizione da parte delle agenzie governative, di altri partner dell’iniziativa BRAIN della Casa Bianca e dell’industria commerciale. Allo stesso tempo, la DARPA continuerà a collaborare con la Food and Drug Administration statunitense per facilitare la revisione normativa delle tecnologie SUBNETS.
“La DARPA ha lanciato SUBNETS con la consapevolezza che la stimolazione cerebrale profonda ha il potenziale per trattare le malattie neuropsichiatriche, ma i risultati della stimolazione all’epoca erano incoerenti”, ha detto Sanchez. “Ciò che i ricercatori che abbiamo finanziato sono riusciti a ottenere è iniziare a identificare come la malattia mentale si manifesta in tutto il cervello e come comunicano le sottoreti rilevanti, il che inizia a rivelare quando e dove stimolare per ottenere un effetto ottimale. Questi risultati aprono la strada a ulteriori studi che vanno oltre l’ansia e la depressione, ma, cosa ancora più importante, dimostrando una prova di concetto, hanno aperto la porta alla transizione commerciale in modo che queste tecnologie possano essere utilizzate per migliorare la vita dei veterani. .”
(Didascalia immagine: questa animazione illustra ancora le posizioni di tutti i siti di registrazione degli elettrodi utilizzati per mappare l’attività neurale collegata alle fluttuazioni naturali dell’umore nei