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Illustrazione scientifica di una protesi visiva corticale collegata a una telecamera esterna e alla corteccia occipitale

Stimolando direttamente la corteccia visiva, bypassando occhio e retina, i ricercatori permettono a individui ciechi di percepire fosfeni e forme geometriche. Un'interfaccia digitale collega una telecamera al cervello, aprendo la strada alla vista artificiale funzionale anche per chi ha perso completamente la funzione retinica. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO

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Come funziona la visione e perché l'occhio non è l'unico ingresso
La visione è un processo che inizia nell'occhio ma si completa interamente nel cervello. La retina converte la luce in segnali elettrici che viaggiano attraverso il nervo ottico fino al nucleo genicolato laterale del talamo, per poi raggiungere la corteccia visiva primaria (V1), situata nel lobo occipitale. È qui, in una striscia di corteccia spessa pochi millimetri ma straordinariamente organizzata in mappe topografiche precise, che i segnali visivi vengono elaborati per la prima volta come immagine coerente.

Questa architettura implica una possibilità teorica fondamentale: se il segnale visivo può essere generato artificialmente e introdotto direttamente nella corteccia visiva, l'occhio diventa facoltativo nel processo percettivo. Pazienti che hanno perso la vista per danni alla retina, al nervo ottico o persino agli occhi stessi — ma con una corteccia visiva intatta e funzionante — potrebbero recuperare una forma di percezione visiva artificiale attraverso la stimolazione elettrica diretta del tessuto corticale. Questa è la premessa scientifica su cui si fondano le protesi della corteccia visiva, uno dei fronti più ambiziosi della neurotecnologia contemporanea.

I fosfeni: la luce che nasce dall'interno
Il fenomeno chiave che rende possibile la protesi corticale è il fosfene: una percezione soggettiva di luce — un bagliore, una macchia luminosa, un punto brillante — che emerge senza alcuno stimolo luminoso esterno, generata direttamente dall'attivazione elettrica dei neuroni della corteccia visiva. I fosfeni non sono un'invenzione moderna: chiunque abbia mai visto "le stelle" dopo una botta in testa ha sperimentato fosfeni meccanici, generati dall'impatto fisico sul lobo occipitale.

La prima stimolazione artificiale deliberata della corteccia visiva per produrre fosfeni fu eseguita dal neurochirurgo Wilder Penfield negli anni Trenta e Quaranta del Novecento, durante interventi neurochirurgici condotti in anestesia locale su pazienti svegli. Penfield scoprì che applicando una piccola corrente elettrica su diverse aree della corteccia visiva poteva evocare percezioni di luci, colori e forme in posizioni prevedibili del campo visivo — il principio della topografia retinotopica, che assegna a ogni neurone corticale una posizione precisa nel campo visivo soggettivo.

Le prime protesi corticali: da Brindley a Dobelle
Il primo tentativo documentato di creare una protesi visiva corticale funzionante risale al 1968, quando il neurofisiologo britannico Giles Brindley impiantò una griglia di 80 elettrodi sulla corteccia visiva di una paziente cieca. La paziente riportò di percepire fino a 40 fosfeni distinti contemporaneamente, in posizioni del campo visivo corrispondenti alla mappa retinotopica. Il risultato fu rivoluzionario per l'epoca, ma la tecnologia degli anni Sessanta non consentiva un controllo sufficientemente preciso per generare immagini riconoscibili.

William Dobelle, bioingegnere americano, portò avanti questa ricerca nei decenni successivi, sviluppando sistemi con un numero crescente di elettrodi collegati a telecamere esterne. Nel 2002 annunciò che un suo paziente cieco era riuscito a guidare lentamente un'automobile in un parcheggio deserto grazie alla sua protesi, riconoscendo le strisce bianche della carreggiata come sequenze di fosfeni. Il risultato dimostrò per la prima volta che una percezione visiva funzionalmente utile poteva essere generata artificialmente attraverso la corteccia, anche in totale assenza di funzione retinica.

La svolta tecnologica: microelettodi ad alta densità e intelligenza artificiale
Il principale limite delle prime protesi era la risoluzione: con pochi decine di elettrodi, le immagini percepite erano approssimative e a bassissima definizione. La svolta degli ultimi anni è venuta da due direzioni convergenti: lo sviluppo di array di microelettodi ad alta densità e l'integrazione di sistemi di intelligenza artificiale per la codifica del segnale visivo.

Il progetto Orion di Second Sight Medical Products, approvato dalla FDA per studi clinici nel 2018, utilizza un array di 60 elettrodi impiantati sulla corteccia visiva e collegati in modo wireless a una telecamera montata su un paio di occhiali. Il sistema converte in tempo reale il flusso video in impulsi elettrici, permettendo ai partecipanti allo studio di percepire forme luminose in movimento, localizzare oggetti e orientarsi in ambienti semplici. I risultati pubblicati nel 2021 hanno mostrato che tutti i partecipanti ciechi testati eseguivano compiti visivi di base con performance significativamente superiori alla cecità completa.

Il progetto ICVP: 1.600 punti di stimolazione indipendenti
L'Intracortical Visual Prosthesis (ICVP), sviluppato da un consorzio di università americane guidato dall'Università di Utah, rappresenta la generazione successiva di tecnologia: invece di elettrodi di superficie, utilizza 16 array di microelettodi intracorticali — aghi in silicio detti Utah Arrays — che penetrano direttamente nel tessuto corticale per alcuni millimetri, stimolando i neuroni in modo molto più preciso. Ogni array porta 100 microelettodi, per un totale di 1.600 punti di stimolazione indipendenti — una risoluzione teorica radicalmente superiore ai sistemi precedenti.

Nel 2023, il team guidato dal ricercatore Michael Beauchamp ha pubblicato i risultati di un trial su una paziente cieca da 16 anni. Grazie ai 16 array Utah impiantati, la paziente è riuscita a riconoscere lettere dell'alfabeto tracciate nello spazio, identificare la direzione di persone in movimento e compiere semplici compiti di navigazione in un corridoio. La qualità dei fosfeni generati era descritta come "puntini di luce" variabili in dimensione e luminosità — non paragonabili alla visione normale, ma sufficientemente informativi da costituire una guida percettiva concreta.

Plasticità corticale e apprendimento: il cervello impara a vedere di nuovo
Una delle scoperte più importanti degli ultimi anni riguarda la plasticità della corteccia visiva in risposta alla stimolazione artificiale: il cervello non è un ricevitore passivo, ma un sistema che si adatta attivamente ai nuovi input. Studi longitudinali su pazienti con protesi corticali mostrano che la qualità della percezione migliora nel tempo, man mano che il cervello impara a interpretare i pattern di fosfeni come rappresentazioni di oggetti reali.

Questo fenomeno di apprendimento corticale ha spinto i ricercatori a integrare nei sistemi di protesi algoritmi di intelligenza artificiale che pre-elaborano il segnale della telecamera prima di convertirlo in stimolazione elettrica. Invece di trasmettere una rappresentazione pixel-per-pixel della scena, i nuovi sistemi usano reti neurali convoluzionali per estrarre le caratteristiche visivamente più rilevanti — bordi, contrasti, forme, movimenti — e codificarle in modo ottimizzato per la stimolazione corticale. Il risultato è una riduzione del numero di elettrodi necessari e un miglioramento sostanziale della comprensibilità dell'immagine percepita.

Sfide aperte: biocompatibilità, risoluzione e longevità degli impianti
Nonostante i progressi, le protesi corticali visive affrontano sfide tecniche e biologiche considerevoli. La prima riguarda la biocompatibilità a lungo termine: il tessuto cerebrale reagisce agli impianti con una risposta infiammatoria progressiva che forma una cicatrice gliale attorno agli elettrodi, riducendone l'efficacia nel tempo. I materiali più promettenti per superare questo problema includono polimeri conduttivi flessibili, elettrodi in carburo di titanio e rivestimenti di idrogel bioattivi che mimano le proprietà meccaniche del tessuto neurale.

La seconda sfida riguarda la risoluzione massima raggiungibile: per ottenere una visione funzionale paragonabile anche solo alla soglia legale della cecità, sarebbero necessari migliaia di elettrodi attivi simultaneamente — un obiettivo ancora lontano dagli attuali 1.600. La terza sfida è la longevità: i sistemi attuali mostrano degradazione del segnale nell'arco di anni. Nonostante queste difficoltà, il ritmo dei progressi è tale che i ricercatori prevedono sistemi di seconda generazione con risoluzione molto superiore entro il 2030.

Le protesi della corteccia visiva rappresentano una delle frontiere più audaci della medicina contemporanea: la possibilità di generare percezione sensoriale direttamente nel cervello, senza passare dagli organi di senso, ridefinisce i confini tra corpo biologico e sistema artificiale. Non si tratta di restituire la vista perduta: si tratta di crearne una nuova, che nasce dall'incontro tra il linguaggio dell'elettronica e la plasticità straordinaria del cervello umano.

 

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Simulazione della struttura a ragnatela cosmica della materia oscura nell'universo

La materia oscura costituisce circa il 27% della massa-energia dell'universo, eppure non è mai stata rilevata direttamente. Esperimenti sotterranei come quelli ai Laboratori del Gran Sasso cercano i candidati teorizzati — WIMP e assioni — che potrebbero svelarne la natura. La risposta potrebbe riscrivere il Modello Standard della fisica. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO

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Perché sappiamo che esiste senza averla mai vista
La materia oscura non emette, assorbe né riflette luce: è invisibile a qualsiasi strumento elettromagnetico oggi disponibile. Eppure la sua esistenza è supportata da una convergenza di prove osservative indipendenti così robusta che la fisica moderna la tratta come un fatto accertato, non come un'ipotesi speculativa. La prima evidenza sistematica fu raccolta negli anni Trenta del Novecento dall'astronomo Fritz Zwicky, che studiando le velocità di rotazione delle galassie nell'ammasso della Chioma trovò una discrepanza enorme: le galassie si muovevano troppo velocemente per essere trattenute dalla massa visibile stimata. Senza una massa aggiuntiva invisibile, l'ammasso avrebbe dovuto disintegrarsi.

Negli anni Settanta, l'astronoma Vera Rubin confermò e approfondì questa evidenza studiando le curve di rotazione delle galassie a spirale: le stelle nelle zone periferiche ruotano alla stessa velocità di quelle centrali, anziché rallentare come previsto dalla meccanica kepleriana applicata alla massa visibile. L'unica spiegazione coerente è che ogni galassia sia immersa in un enorme alone di materia invisibile — l'alone di materia oscura — che contribuisce al campo gravitazionale totale senza essere rilevabile otticamente. Simulazioni cosmologiche del tipo N-body, che modellano l'evoluzione dell'universo a grande scala, riproducono correttamente la struttura filamentosa osservata (la "ragnatela cosmica") solo includendo la materia oscura come componente dominante.

I candidati particellari: WIMP, assioni e oltre
Il candidato più studiato è il WIMP (Weakly Interacting Massive Particle): una particella massiccia — tra 10 e 10.000 volte la massa del protone — che interagisce con la materia ordinaria solo attraverso la forza nucleare debole e la gravità. I WIMP emergono naturalmente da teorie fisiche che vanno oltre il Modello Standard, in particolare dalla Supersimmetria (SUSY), che prevede per ogni particella ordinaria una "superpartner" con proprietà quantistiche diverse. Il neutralino, la particella supersimmetrica più leggera e stabile, è il candidato WIMP più popolare in letteratura.

L'assione è invece un candidato di origine diversa: fu teorizzato nel 1977 da Roberto Peccei e Helen Quinn per risolvere un problema interno alla cromodinamica quantistica (il problema CP forte), e successivamente si rivelò un eccellente candidato per la materia oscura. A differenza dei WIMP, gli assioni sono estremamente leggeri — potenzialmente miliardi di volte meno massicci di un elettrone — e interagiscono debolissimamente con i fotoni in presenza di un campo magnetico intenso. Questa proprietà è la base degli esperimenti di tipo ADMX e HAYSTAC, che cercano di convertire gli assioni cosmici in fotoni a microonde rilevabili.

Gli esperimenti sotterranei: il Gran Sasso e la frontiera zero-fondo
I Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN, situati sotto 1.400 metri di roccia nell'Appennino abruzzese, sono tra i principali siti mondiali per la ricerca della materia oscura. Lo schermo di roccia sovrastante riduce il flusso di raggi cosmici di un fattore milione, creando un ambiente di bassissimo fondo radioattivo indispensabile per rilevare gli eventi estremamente rari che caratterizzerebbero una collisione WIMP-nucleo.

L'esperimento XENON, nella sua versione più recente XENONnT, utilizza 5,9 tonnellate di xenon liquido ultrapuro come bersaglio: se un WIMP colpisce un nucleo di xenon, produrrebbe un brevissimo lampo di luce e un piccolo segnale di ionizzazione, entrambi rilevabili da fotomoltiplicatori ultrasensibi. Nonostante anni di funzionamento e sensibilità crescenti, nessuna delle versioni XENON ha registrato un segnale inequivocabile di WIMP. Lo stesso risultato negativo è stato ottenuto dagli esperimenti LUX-ZEPLIN (LZ) negli Stati Uniti e PandaX-4T in Cina, portando i fisici ad escludere vaste regioni di parametri in cui i WIMP avrebbero dovuto manifestarsi secondo le previsioni supersimmetriche più semplici.

L'assenza di segnale: crisi del paradigma o raffinamento dei modelli?
I risultati negativi accumulati negli ultimi vent'anni dagli esperimenti di rilevazione diretta e dalla mancata osservazione di superpartner al Large Hadron Collider del CERN hanno alimentato un dibattito vivace nella comunità fisica. La Supersimmetria nella sua forma più semplice — il cosiddetto MSSM (Minimal Supersymmetric Standard Model) — è sotto pressione crescente, e alcuni fisici parlano apertamente di "crisi del paradigma WIMP".

Altri invece sottolineano che lo spazio dei parametri è enorme e che i modelli SUSY più complessi rimangono del tutto compatibili con le osservazioni. Parallelamente, candidati alternativi hanno guadagnato attenzione: tra questi gli sterili neutrini (neutrini con massa di massa del keV), i "fuzzy dark matter" (particelle di massa dell'ordine di 10 alla meno 22 eV), i primordial black holes — buchi neri formatisi nel primo secondo dopo il Big Bang — e i WIMPzilla, particelle super-massive che non si annichilirebbero mai con l'antimateria. Ogni candidato richiede tecnologie di rilevazione diverse e strumentazione dedicata.

Le prospettive future: prossima generazione di esperimenti
La prossima generazione di esperimenti promette un salto di sensibilità di uno o due ordini di grandezza. DARWIN (DARk matter WImp search with liquid xenoN), in fase di progettazione, utilizzerà circa 50 tonnellate di xenon liquido e raggiungerà il "neutrino floor" — il limite fisico oltre il quale il segnale di neutrini solari e atmosferici diventa un rumore di fondo irriducibile. Se i WIMP esistono con le proprietà attese, DARWIN dovrebbe vederli; se non li vede, l'ipotesi WIMP nel suo senso più classico sarà probabilmente da considerare esclusa.

Sul fronte degli assioni, il progetto ABRACADABRA e il futuro DMRadio estenderanno la ricerca a masse di particella ancora inferiori, mentre CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment) userà tecniche di risonanza magnetica nucleare per cercare l'effetto degli assioni sullo spin dei nuclei atomici. Il quadro complessivo suggerisce che il prossimo decennio sarà decisivo: o la materia oscura si rivelerà attraverso uno di questi strumenti, o sarà necessario riconsiderare alla radice l'intera struttura teorica del cosmo.

La caccia alla materia oscura è forse la più grande avventura intellettuale della fisica contemporanea: una caccia a qualcosa di cui conosciamo con precisione gli effetti gravitazionali ma di cui ignoriamo completamente la natura. Trovare la particella mancante dell'universo sarebbe un salto epistemologico paragonabile alla scoperta dell'elettrone. Non trovarla ci costringerebbe a riscrivere dalle fondamenta la nostra comprensione della realtà.