Un progetto di EPFL, Duke e ISR ricostruisce i circuiti neurali del danio zebrato, mostrando come la robotica aiuti a decifrare le azioni animali

Nel panorama della ricerca neuroscientifica contemporanea, uno dei nodi più complessi riguarda il rapporto tra cervello, corpo e ambiente. I circuiti neurali vengono spesso studiati in condizioni artificiali e isolate, ma il comportamento reale emerge solo quando questi elementi interagiscono in modo dinamico. È proprio su questo terreno che si colloca uno studio pubblicato nel 2025 su “Science Robotics”, frutto della collaborazione tra l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Svizzera, la Duke University School of Medicine nella Carolina del Nord e l’Instituto de Sistemas e Robótica di Lisbona, che ha portato alla realizzazione di un robot ispirato alle larve di pesce zebra capace di replicarne i meccanismi di navigazione in acqua corrente.

Il progetto, sviluppato all’interno del BioRobotics Laboratory dell’EPFL, rappresenta un esempio emblematico di come l’innovazione tecnologica possa diventare strumento di conoscenza fondamentale. Attraverso simulazioni avanzate, modelli neurali derivati da dati biologici reali e un robot fisico testato in ambiente naturale, i ricercatori hanno fornito una visione integrata di come i circuiti cerebrali governino il comportamento adattivo.

Neuroscienze ed embodiment: oltre il cervello isolato

Uno dei paradossi storici delle neuroscienze è che i cervelli si evolvono in contesti sensoriali e fisici specifici, ma vengono spesso analizzati come sistemi astratti. Lo studio condotto a Losanna ribalta questo approccio, ponendo al centro il concetto di embodiment, ovvero l’idea che la percezione e l’azione emergano dall’interazione continua tra cervello, corpo e ambiente.

Il BioRobotics Laboratory, guidato da Auke Jan Ijspeert, professore di robotica e sistemi bioispirati presso l’EPFL, è specializzato proprio nello sviluppo di robot che imitano organismi viventi per comprendere i principi del controllo motorio.

“Queste connessioni con l’ambiente non possono essere studiate osservando un cervello isolato in laboratorio”,

ha spiegato il professor Ijspeert, sottolineando come la robotica consenta di testare ipotesi neuroscientifiche in condizioni realistiche.

In questo contesto, il pesce zebra allo stadio larvale rappresenta un modello ideale. La sua trasparenza consente infatti l’osservazione diretta dell’attività neuronale, rendendolo uno degli organismi più studiati nella ricerca biomedica contemporanea.

Dal pesce reale al modello neurale simulato

Il contributo della Duke University è stato determinante. Il gruppo guidato da Eva Aimable Naumann, neurobiologa presso il dipartimento di Neurobiology della Duke University, ha fornito un’architettura neurale basata su dati di imaging in tempo reale raccolti da larve di pesce zebra vive. I ricercatori hanno analizzato come questi animali reagiscono a stimoli visivi che simulano il flusso dell’acqua, concentrandosi sulla cosiddetta risposta optomotoria, un riflesso che permette ai pesci di mantenere la posizione compensando la corrente.

Partendo da questi dati, il gruppo di lavoro dell’EPFL ha sviluppato una simulazione completa che integra processi visivi, meccanica corporea e circuiti neurali dalla retina al midollo spinale. Il risultato è stato un organismo virtuale in grado di riprodurre con grande fedeltà i comportamenti osservati nei pesci reali.

“È stato entusiasmante vedere che il modello replicava tutti i comportamenti osservati negli animali vivi”,

ha dichiarato ancora Ijspeert.

“Questo suggerisce che siamo riusciti davvero a ricostruire i circuiti neurali alla base di queste funzioni”.

Il robot Zbot e la prova del mondo reale

La validazione definitiva del modello è arrivata con la costruzione di un robot fisico. Xiangxiao Liu, ricercatore post-dottorato presso l’EPFL, ha realizzato un robot-larva di pesce zebra lungo circa 80 centimetri, dotato di telecamere come occhi, attuatori per muovere i segmenti della coda e lo stesso circuito neurale utilizzato nella simulazione.

Testato nel fiume Chamberonne, a Losanna, il robot ha dimostrato di sapersi orientare e mantenere la posizione anche in un ambiente naturale disordinato, senza essere trascinato dalla corrente.

“Nonostante una componente di casualità nelle risposte motorie, il circuito neurale converge verso una riorganizzazione efficace del movimento”,

ha spiegato Liu, evidenziando la robustezza del controllo neurale.

Durante questi esperimenti, i ricercatori hanno anche scoperto che gran parte dei segnali neurali che guidano il comportamento proviene da una porzione relativamente ridotta della retina. Inoltre, il modello ha previsto l’esistenza di due tipi di neuroni non precedentemente identificati, successivamente confermati attraverso osservazioni sperimentali.

Un’infrastruttura open source per la ricerca futura

Oltre ai risultati scientifici, il progetto si distingue per la sua impostazione aperta. Le simulazioni e il design del robot sono stati resi disponibili come strumenti open source, permettendo ad altri gruppi di ricerca di studiare la coordinazione visuo-motoria non solo nei pesci zebra, ma anche in altre specie.

Secondo Ijspeert, uno dei principali contributi dello studio riguarda la possibilità di distinguere tra meccanismi necessari e meccanismi sufficienti nel comportamento animale.

Negli esperimenti sugli animali puoi dimostrare cosa è necessario, ma non cosa è sufficiente.

“Qui abbiamo mostrato che la sola visione può essere sufficiente, in linea di principio, per mantenere la posizione nella corrente”,

ha affermato.

Questa prospettiva apre nuove strade non solo per le neuroscienze, ma anche per la progettazione di sistemi robotici adattivi, capaci di operare in ambienti complessi con un numero limitato di sensori.

Dalla robotica bioispirata all’evoluzione dei vertebrati

Il lavoro sul pesce zebra si inserisce in una linea di ricerca più ampia del BioRobotics Laboratory. Un altro studio recente, pubblicato nel 2024 su PNAS in collaborazione con la Tohoku University e l’University of Ottawa, ha utilizzato robot simili ad anguille per esplorare i meccanismi di locomozione anfibia. I risultati suggeriscono che un feedback multisensoriale potrebbe consentire a vere anguille di continuare a nuotare anche dopo lesioni spinali che paralizzerebbero la maggior parte dei vertebrati.

Queste ricerche offrono anche nuove chiavi di lettura sull’evoluzione, in particolare sulla transizione dei vertebrati dall’acqua alla terraferma, dimostrando come modelli robotici possano fungere da ponte tra biologia, ingegneria e scienze cognitive.

Se l’innovazione diventa strumento di comprensione

Il robot-pesce sviluppato a Losanna non è soltanto un esercizio di ingegneria sofisticata, ma un esempio concreto di come l’innovazione tecnologica possa trasformarsi in metodo scientifico. Integrando dati biologici reali, simulazioni computazionali e sperimentazione in ambienti naturali, lo studio mostra come sia possibile avvicinarsi a una comprensione più completa del comportamento animale.

In un’epoca in cui le neuroscienze e l’intelligenza artificiale tendono spesso a procedere su binari paralleli, il lavoro dell’EPFL e della Duke University suggerisce una via diversa: osservare la mente attraverso il corpo e l’ambiente, utilizzando la robotica come lente sperimentale. Un approccio che potrebbe influenzare non solo la ricerca di base, ma anche lo sviluppo futuro di robot autonomi più resilienti e intelligenti.

Simulazione di una larva di pesce zebra ferma in un flusso d’acqua in movimento

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