Le neurotecnologie nel futuro del settore Difesa

Il cervello è l’ultima grande frontiera della scienza medica; la neuroscienza si avvia ad uno storico punto di svolta. Un flusso continuo di progressi sta modificando il funzionamento del cervello umano. La neuroscienza militare è la via per la prossima era della neurowarfare. Dato l’ammontare dei finanziamenti per la ricerca sulla tecnologia “brain computer interface” provenienti dai programmi del settore Difesa, è particolarmente importante che le potenziali applicazioni militari siano esaminate anche dal punto di vista dual-use.

Key words: Difesa, neuroscienze, brain computer interface, neurowarfare.

Abstract

The brain is the last great frontier of medical science; neuroscience is going through a historic turning point. A continuous stream of innovations is editing the perception of the human brain. The military neuroscience is the way for the coming age of neurowarfare. Considering the amount of the research funding for “brain computer interface technology” coming from the Defense programs, it is particularly important to study the potential military applications from a Dual-Use point of view.

Key words: Defense, neuroscience, brain computer interface, neurowarfare.

1.1 Introduzione

Il settore della Difesa è sempre più interessato allo sviluppo di programmi legati a neurotecnologie cioè di tecnologie informatiche, meccaniche e biologiche per lo studio del funzionamento del sistema nervoso e la cura delle patologie neurologiche e della collaterale branca di studi indirizzata alle possibili connessioni tecnologiche tra cervello e computer, ritenute indispensabili per affrontare le nuove sfide di una realtà in rapida evoluzione.

I sistemi che consentono la comunicazione cervello-macchina esistono da tempo anche se non hanno mai fornito un significativo apporto all’idea finale di creare una perfetta integrazione tra i due ambiti, cosa che invece potrebbe essere possibile attraverso le più recenti innovazioni nei settori dell’ingegneria biomedica, delle neuroscienze, della biologia sintetica e della nanotecnologia. Ecco perché le ricerche attualmente avviate, per giungere agli obiettivi più ambiziosi hanno bisogno di partire da tecnologie già note, come quelle legate alle Brain Computer Interface.

1.2 Dalla Electroencephalography alla Brain Computer Interface

La tecnologia Brain-Computer Interface ha in realtà origini molto più antiche, sotto certi profili può essere fatta risalire almeno al 1929, anno in cui il neuropsichiatra tedesco Hans Berger registrò il primo elettroencefalogramma (EEG). La nuova tecnica non ebbe immediato successo, fino a quando, negli anni 70, altri scienziati perfezionarono i sistemi allora in uso e non passò molto tempo prima che gli USA avviassero ulteriori programmi di studio sull’uso dell’EEG per comprendere i meccanismi di comunicazione del cervello.

L’Advanced Research Projects Agency si mostrò da subito interessata all’esplorazione di queste frontiere scientifiche, come si evince dai primi progetti che si svilupparono a partire da quel periodo. Uno dei primi fu quello diretto dal dottor George Lawrence: il punto centrale delle sue ricerche era lo studio sui meccanismi cognitivi del biofeedback, poiché aveva lo scopo di sviluppare nuove tecniche che potessero permettere l’accrescimento delle prestazioni umane.

Si trattava di un progetto interno di un’agenzia della Difesa il cui obiettivo era principalmente rivolto ad aumentare le prestazioni del personale militare impegnato in compiti che richiedevano grandi carichi di lavoro mentale. A eccezione di alcune idee significative sul biofeedback, questa ricerca non produsse risultati degni di nota e subito dopo l’interesse venne spostato su altri tipi di approcci.

Contemporaneamente, veniva portato avanti un progetto simile, da ricercatori dell’Università della California, finanziato prima dalla National Science Foundation e poi dall’ARPA. Nell’ambito di questo progetto, nato nel 1973 e diretto dal professore Jaques Vidal, venne utilizzato per la prima volta il termine “brain computer interface”su un articolo scientifico. Questa ricerca dimostrò che era possibile stimolare segnali neurali nel dialogo tra uomo e macchine con lo scopo di permettere ai dispositivi informatici di diventare una vera e propria estensione protesica del cervello.

I risultati modesti in parte dovuti alle ridotte capacità dei computer e alle scarse conoscenze della fisiologia cerebrale indussero nel 1980 a seguire nuovi studi come quelli intrapresi da Niels Birbaumer, Thomas Elbert, Werner Lutzenberger e Brigitte Rockstroh che dimostrarono come fosse possibile modificare potenziali corticali nell’attività EEG per controllare movimenti verticali di immagini su uno schermo.

Ulteriori progressi si registrarono nel 2006 anno in cui i progetti diretti da Gerhard Friehs, Leigh Hochberg e Mijail Serruya dimostrarono la possibilità per un soggetto affetto da tetraplegia, mediante l’uso di un sistema BCI, di usare una mano prostetica ed eseguire azioni rudimentali con un braccio robotico.

Un passo significativo si registrò nel 2011 con gli studi di Dean Krusiensky e Jerry Shih che resero evidente la possibilità di tradurre i segnali registrati dalla superficie della corteccia tramite elettrocorticografia da una BCI per consentire la trascrizione diretta delle parole sullo schermo.

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1.3 I principali progetti DARPA

La Defense Advanced Research Projects Agency, già a partire dal 2000 ha avviato numerosi progetti legati a questi settori e nel corso degli anni molti dei “Brain Enhancement Programs” hanno destato notevole interesse tra la comunità scientifica internazionale.

Tra questi, quelli di particolare interesse sono:

  • Electrical Prescriptions (ElectRx), che prevede la somministrazione di trattamenti non farmacologici per alleviare dolori, infiammazioni, stress post-traumatici, tramite sensori e componenti elettromagnetici agenti sugli organi, al fine di pervenire ad una guarigione in tempi più brevi.
  • Neural Engineering System Design (NESD), che mira a sviluppare neurotecnologie ad alta risoluzione in grado di mitigare gli effetti di lesioni e malattie sui sistemi visivi ed uditivi del personale militare e a individuare nuovi approcci che possano migliorare i risultati terapeutici riparativi.
  • Restoring Active Memory (RAM), tendente aindividuare soluzioni per contrastare la perdita di memoria post trauma cranico (Traumatic Brain Injury) nel personale militare.Previsto l’impianto nel cervello di pazienti affetti da epilessia e ospedalizzati, di elettrodi che consentano ai medici diregistrare l’attività elettrica nel cervello di questi pazienti mentre eseguono test di memoria al fine di scoprire i segnali elettrici associati alle operazioni svolte.
  • Targeted Neuroplasticity Training program (TNT), si concentra su un tipo specifico di apprendimento: la formazione di abilità cognitive. Si tratta di un programma di addestramento destinato a personale militare impiegato in compiti complessi, Il focus principale è quello di accelerare l’acquisizione di competenze specifiche riducendo significativamente i tempi di formazione per specialisti in lingua straniera, analisti di intelligence, crittografi ed altre figure professionali di interesse. Le tecniche innovative si propongono nello specifico di facilitare artificialmente il rilascio di neuromodulatori, sostanze chimiche atte a migliorare le connessioni tra le cellule cerebrali (plasticità sinaptica).
  • Neuro Function, Activity, Structure and Technology (Neuro-FAST), è destinato a una migliore comprensione delle funzionalità del cervello, una trattazione adeguata delle lesioni cerebrali, nonché alla la visualizzazione e alla decodifica dell’attività cerebrale e la costruzione di strumenti sofisticati per interagire col cervello. L’obiettivo è di superare le limitazioni che finora non hanno consentito di conoscere appieno tutti i dettagli critici dei circuiti neurali e di colmare le lacune nelle conoscenze tra cellule cerebrali, circuiti ed elaborazione delle informazioni di sistema.
  • Reliable Neural Interface Technology (RE-NET), è destinato a rispondere alla necessità di interfacce neurali ad alte prestazioni per controllare le funzioni rese possibili dagli arti protesici sviluppati dalla stessa Agenzia. Prima di RE-NET, tutti i metodi esistenti per estrarre i segnali di controllo neurale erano inadeguati per le attività dei soggetti interessati ad amputazioni e per controllare le protesi di nuova generazione e le difficoltà derivavano dal basso livello delle informazioni estratte e dalla breve durata della funzionalità dell’interfaccia. La tecnologia sviluppata da Re-Net punta a superare tali inadeguatezze sviluppando interfacce neurali ad alta prestazione.
  • Systems-Based Neurotechnology for Emerging Therapies (SUBNET), è quello di monitorare l’attività neurale al fine di salvaguardare il personale militare e i reduci, affetti da gravi traumi psicologici e malattie mentali, sfruttando il processo della Deep Brain Stimulation, ovvero un trattamento chirurgico che prevede l’impianto di un pacemaker cerebrale nel cranio del paziente, per interferire con l’attività del cervello ed agire contro i sintomi di malattie (epilessia e morbo di Parkinson) monitorando e analizzando tutti i dati che emana il cervello in tempo reale e stabilendo se il paziente necessita di un intervento specifico.
  • Revolutionizing Prosthetics, finalizzato allo sviluppo di particolari ed innovative protesi agli arti superiori, ci si propone di consentire a soggetti affetti da paralisi o privi di arti, di manipolare oggetti inviando segnali dal cervello ai dispositivi robotici realizzati, rilevando nel contempo, le caratteristiche degli oggetti toccati.
  • Hand Proprioception and Touch Interfaces (HAPTIX), cerca di creare un sistema di protesi della mano che si muova e fornisca sensazioni del tutto simili a una mano naturale. Nel ripristinare le funzioni sensoriali, riducendo o eliminando il dolore agli arti fantasma che colpisce la quasi totalità degli amputati. La ricerca prevede l’applicazione di protesi sviluppate nell’ambito del programma Revolutionizing Prosthetics per incorporare interfacce che forniscono agli utenti un controllo intuitivo e un feedback sensoriale; il tutto basato su tecnologie avanzate sviluppate attraverso il programma RE-NET.

1.4 Next-generation Non Surgical Neurotechnology

Un ulteriore passo in avanti è stato fatto con il programma denominato N3: Next-generation Non surgical Neurotechnology, reso noto nel 2018 a seguito del conferimento di incarico a sei tra istituti di ricerca e atenei (Battelle Memorial Institute, Carnegie Mellon University, Johns Hopkins University, Applied Physics Laboratory, Palo Alto Research Center, Rice University, Teledyne Scientific) ai quali è stata affidata la creazione di un sistema che prevede la nascita di interfacce di collegamento neurale diretto tra uomo e macchina che permettano al cervello di inviare istruzioni a sistemi informatizzati complessi, senza ausilio di consolle o di ulteriori attrezzature.

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N3 studia le tecnologie in grado di leggere e scrivere nelle cellule cerebrali in soli 50 millisecondi e di interagire con almeno 16 porzioni cerebrali con una risoluzione di 1 millimetro cubo (spazio comprendente migliaia di neuroni). La maggior parte dei progetti portati avanti finora ha certamente dimostrato la propria validità ma ha anche evidenziato dei rischi intrinseci legati agli aspetti chirurgici per cui queste tecnologie sono state di fatto limitate a beneficio di volontari con specifiche necessità cliniche. Per tali motivi si è pensato di sviluppare dei sistemi basati su interfacce non chirurgiche che consentano al personale militare di beneficiare delle neurotecnologie. Eliminando la necessità di un intervento chirurgico i sistemi N3 diventano così idonei ad un gruppo più ampio di potenziali utenti.

I lavori dei teams si suddividono in due macro tipologie: da una parte i progetti di interfacce a minore impatto invasivo e dall’altra i progetti che prevedono dispositivi non invasivi. Nel primo gruppo lavora Battelle, che sviluppa un sistema a minore impatto invasivo che abbina un ricetrasmettitore esterno a nanotrasduttori elettromagnetici che vengono consegnati non chirurgicamente ai neuroni di interesse. Questi ultimi convertono i segnali elettrici dai neuroni in segnali magnetici che possono essere registrati ed elaborati dal ricetrasmettitore esterno, consentendo una comunicazione bidirezionale.

Analoga tipologia di progetto è portata avanti dai ricercatori della Rice University che, puntano a sviluppare un sistema mininvasivo e bidirezionale per la registrazione e la scrittura nel cervello. Sul versante dei dispositivi non invasivi opera la Carnegie Mellon University, con il suo dispositivo che utilizza un approccio acusto-ottico per registrare dal cervello e interferire con i campi elettrici per scrivere a neuroni specifici. Previsto l’uso di onde ad ultrasuoni per guidare la luce dentro e fuori il cervello, rilevare l’attività neurale e per consentire la stimolazione localizzata di specifici tipi di cellule.

Anche il Laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University, lavora da tempo a un sistema ottico per la registrazione dal cervello che misurerà direttamente i cambiamenti di lunghezza del percorso ottico nel tessuto neurale. La squadra del Palo Alto Research Center focalizza il suo lavoro su una interfaccia funzionale alla scrittura, parallelamente all’abbinamento di onde ultrasoniche ai campi magnetici. Si tratta di un approccio ibrido che offre maggiore efficacia per una neuromodulazione cerebrale localizzata in profondità.

Lo studio devoluto a Teledyne infine, mira a sviluppare un dispositivo integrato che utilizza magnetometri micro pompati otticamente per rilevare piccoli campi magnetici localizzati, correlati all’attività neurale. Le applicazioni legate al progetto N3 possono essere davvero tante e rispondere a nuove e più complesse esigenze. Per gli U.S.A., ma non solo, stare al passo con uno sviluppo scientifico che oltrepassa di limiti finora conosciuti è un’occasione imperdibile così come lo è per tutti quei Paesi che ambiscono a contenderne il primato.

1.5 L’interesse cinese alla neurotecnologie per la Difesa

Anche la Cina negli ultimi anni ha aumentato i suoi sforzi in settori quali l’intelligenza artificiale e le tecnologie BCI. Nel 2018 il Chinese Journal of Traumatology” pubblicava un articolo dal titolo: “Military Brain Science – How to influence the War” a firma dei ricercatori Hai Jin del dipartimento di neurochirurgia dell’ospedale di Shanghai, Li-Jun Hou del 202° ospedale militare di Shanghai e Zheng-Guo Wan dell’Università medica dell’Esercito Popolare i quali proponevano alla comunità scientifica la costituzione di una autonoma branca di studio denominata Brain Military Science proprio per far capire l’importanza che a livello strategico viene attribuita ai progetti ed alle ricerche nello specifico settore.

Secondo gli autori, la Brain Military Science dovrebbe articolarsi su nove settori, identificativi delle principali attività da sviluppare: comprendere (il cervello e i metodi di connessione neurale), proteggere (il cervello dei militari e individuare di strumenti e strutture idonee a preservarlo), monitorare (l’attività cerebrale), colpire (il cervello dell’avversario studiando l’effetto dannoso di armi acustiche, elettromagnetiche, laser), influenzare (il cervello della popolazione nemica mediante tattiche psicologiche e interferenze in grado di provocare emozioni destabilizzanti), riparare (il cervello del combattente, attraverso moderne tecniche di trapianto e di ripristino funzionalità cerebrali), simulare (i processi decisionali del cervello e dei meccanismi neurali per sviluppare dispositivi tecnologici avanzati a supporto del cervello), migliorare (la funzionalità cerebrale del personale militare che svolge particolari compiti), armare (il cervello mediante innovative interfacce BCI).

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1.6 Conclusioni

Il globale interesse alle neurotecnologie al servizio del mondo militare rende l’idea di come sia determinante avere a disposizione queste nuove applicazioni che potrebbero rivoluzionare la figura del combattente: i soldati del futuro avrebbero in tal modo la possibilità di contenere i tempi di risposta nelle azioni con una maggiore capacità di assumere decisioni. In estrema sintesi un soldato mentre parla o cammina o all’interno della sua base potrebbe gestire un’arma o un sistema d’arma con la velocità del pensiero, decisione che non significa adottare una risposta istintiva ma legata ad un processo mentale che viene trasferito dal cervello all’unità macchina attraverso un’interfaccia.

Ovviamente occorre perfezionare anche le modalità di interruzione dei comandi dati per azionare il fuoco o l’attivazione di sistemi al fine di evitare il verificarsi di incidenti da “fuoco amico”; in tale contesto già da tempo sono in fase di sviluppo nuovi sistemi di identificazione (IFF) che consentono con un margine di certezza di sapere se un potenziale bersaglio è amico o nemico. Particolari stimolazioni potrebbero essere indotte ad analisti, crittografi e altri militari con incarichi speciali per aumentarne le capacità cognitive. Protesi e apparati robotici potrebbero risolvere problematiche chirurgiche, ridurre sensazioni quali stress e stanchezza unitamente a stati emotivi ostativi all’azione, incrementando contestualmente le potenzialità di combattimento.

Restano da risolvere molti interrogativi sotto il profilo etico e di diritto internazionale e non è un caso che il programma sia seguito anche sotto tali aspetti. E’ indubbio ad esempio, che la decisione finale di sparare dovrà essere presa comunque dall’uomo e, al momento, non è concepibile un processo decisionale autonomo devoluto a qualsivoglia applicazione tecnologica e che non investa la sfera umana. Ma il lavoro degli esperti dovrà andare oltre, dovrà anzitutto promuovere un dibattito su come sia possibile massimizzare il beneficio sociale delle nuove tecnologie in un’ottica dual-use e quindi a beneficio anche di problematiche emergenti e confrontarsi attentamente su implicazioni derivanti da complesse teorie di post-umanismo.

Pietro Lucania

Bibliografia

Libri

  1. AA.VV. Opportunities in Neuroscience for Future Army Applications – National Research Council, Division on Engineering and Physical Sciences, Board on Army Science and Technology, Committee on Opportunities in Neuroscience for Future Army Applications – 2009 – ISBN 0309127408, 9780309127400.
  2. Barfield,W. Cyber Humans: Our Future with Machines; Copernicus Press: Göttingen, Germany, 2015. ISBN-13: 978-3319250489.
  3. Giordano J., Neurotechnology in National Security and Defence: Considerations Practical, Neuroethical Preerns (Advances in Neurotechnology) 1st Edition – 2014 – ISBN-13: 978-1482228335.
  4. Krishnan A., Military Neuroscience and the coming age of neurowarfare – London – Routledge – 2017 – ISBN-13: 978-1138361447.

Codici, Riviste o Periodici

  1. Chinese Journal of Traumatology : Military Brain Science – How to influence future wars – may 2018.
  2. MDPI Journal – Philosophies : The Process of Evolution, Human Enhancement.
  3. Technology, and Cyborgs – Barfield W. – june 2019.
  4. MIT Technology Review – Humans and Technology : The US Military is trying to read minds – October 2019.
  5. The Department of the Navy’s information technology magazine: Mind control, the future of Brain-Machine Interface – may 2019.
  6. US National Library of Medicine – National Institute of Healt: Neuroethics of Non-primary Brain Computer Interface: Focus on Potential Military Applications – October 2018.

Internet, Software e Multimedia

  1. Six Paths to the Nonsurgical Future of Brain-Machine Interfaces – Defense Advanced Research Projects Agency – News And Events may 2019 https://www.darpa.mil/news-events/2019-05-20.
  2. Gent E., DARPA Announces that Six Teams Will Receive Funding Under the Next-Generation Nonsurgical Neurotechnology (N3) Program – https://www.battelle.org/newsroom/news-details/darpa-announces-that-six-teams-will-receive-funding-under-the-next-generation-nonsurgical-neurotechnology-(n3)-program.
  3. Green T., US military thinks soldiers are ready to control machines with their minds: The Next Web – https://thenextweb.com/artificial-intelligence/2018/09/07/us-military-thinks-soldiers-are-ready-to-control-machines-with-their-minds/.
  4. Iriarte M.,: DARPA creates N3 Program to achieve higs levels of brain- systems communications – Military embedded system – http://mil-embedded.com/news/darpa-creates-n3-program-to-achieve-high-levels-of-brain-systems-communications/.
  5. E&T Engineering and Technologies: DARPA funds brain-machine interface project for controlling weapons via thoughts – https://eandt.theiet.org/content/articles/2019/05/darpa-funds-brain-machine-interface-project-for-controlling-weapons-via-thoughts/.

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