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Interfacce cerebrali meno invasive
Utilizzando l'attività neurale registrata da un foglio di elettrodi posati direttamente sulla superficie del cervello di un paziente, gli scienziati possono prevedere il movimento delle dita e quale dei diversi suoni il paziente sta immaginando. Alla fine, i ricercatori sperano di utilizzare i risultati per sviluppare protesi neurali intuitive, come una mano robotica che muove le dita con il minimo sforzo mentale necessario per muovere quelle reali, o un'interfaccia per computer che rileva parole immaginarie. Per realizzare questa visione, gli scienziati stanno anche sviluppando una tecnologia più piccola e più flessibile, che potrebbe essere impiantata più facilmente e avere un contatto migliore con il cervello. I dettagli della più recente tecnologia di interfaccia cervello-computer sono stati presentati questa settimana alla conferenza della Society for Neurosciences a Washington, DC.
Stimolare il cervello: I chirurghi usano l'elettrocorticografia (ECoG), che prevede la posa di un foglio di elettrodi sulla superficie del cervello per registrare l'attività elettrica, per mappare l'origine delle convulsioni nei pazienti epilettici. Qui è mostrata una radiografia del cervello con una sovrapposizione che rivela la posizione di ciascun elettrodo.
Potrebbe creare la base per un'interfaccia cervello-computer molto intuitiva e una piattaforma di registrazione molto robusta, afferma Gerwin Schalk , un ricercatore presso il Wadsworth Center, ad Albany, NY, che ha guidato uno dei progetti.
Schalk e i suoi colleghi hanno studiato i pazienti con epilessia sottoposti a una procedura nota come elettrocorticografia (ECoG), in cui una serie piatta di elettrodi viene posta su una sezione esposta della corteccia per registrare l'attività elettrica. Normalmente, i chirurghi utilizzano queste informazioni per individuare la fonte delle crisi e per mappare la posizione di specifiche funzioni cerebrali, che devono essere evitate durante l'intervento chirurgico. La tecnica genera una migliore risoluzione spaziale rispetto all'elettroencefalografia (EEG), un approccio non invasivo che registra l'attività attraverso il cuoio capelluto. ECoG viene ora esplorato per l'uso nelle interfacce cervello-computer. C'è un crescente interesse nell'uso dei segnali ECoG perché nulla penetra nel cervello e questo attira le persone più degli elettrodi penetranti, afferma Marc Schieber , un medico e scienziato presso la University of Rochester Medical School, che non è stato coinvolto nella ricerca.
Schalk e i suoi collaboratori hanno registrato l'attività elettrica dalla corteccia motoria e dall'area di Broca, una parte del cervello coinvolta nel linguaggio, in cinque pazienti mentre muovevano le mani e le dita in modi specifici e vocalizzavano o immaginavano suoni specifici. I ricercatori hanno quindi utilizzato algoritmi appositamente sviluppati per cercare nell'attività neurale modelli relativi a un determinato movimento o suono. Possiamo dirvi come stanno flettendo ciascuna delle loro dita, dice Schalk. Inoltre, i ricercatori hanno potuto determinare in tempo reale quale dei due suoni stava immaginando un paziente. Questo tipo di informazioni potrebbe essere utilizzato per controllare un'interfaccia cervello-computer, fornendo un'ancora di salvezza per le persone con grave paralisi, come quella associata allo stadio terminale sclerosi laterale amiotrofica , una malattia neurodegenerativa, o sindrome bloccata, il risultato di un tipo specifico di ictus che lascia il paziente incapace di muoversi o comunicare.
Se sei paralizzato e non puoi parlare ma la tua corteccia è ancora a posto, la capacità di trasmettere alcune parole come 'sì' o 'no', 'cibo' e 'acqua' potrebbe essere molto utile, afferma Schieber. Ma la domanda è: saremo in grado di decodificare tutti i fonemi del linguaggio umano dai segnali ECoG? Riesci a ottenere informazioni abbastanza specifiche per distinguere diversi tipi di presa, come un pizzico rispetto a come tieni un martello?
Per utilizzare le informazioni per controllare una protesi o un computer, gli scienziati dovranno anche essere in grado di estrarre le informazioni rilevanti in tempo reale. (Nel progetto attuale, l'analisi è stata eseguita dopo la registrazione neurale.)
Schalk e altri stanno studiando l'ECoG come possibile alternativa agli elettrodi impiantati nel tessuto cerebrale. Gli scienziati hanno compiuto rapidi progressi utilizzando quest'ultimo come interfaccia per dispositivi protesici, dimostrando di recente che le scimmie possono nutrirsi con un braccio robotico controllato da un'interfaccia cervello-computer e che i pazienti paralizzati possono spostare un cursore sullo schermo di un computer utilizzando apparecchiature simili. Non è ancora chiaro se l'ECoG, che registra l'attività elettrica extracellulare e quindi fa la media delle informazioni provenienti da cellule diverse, sarà in grado di fornire la stessa precisione degli elettrodi impiantati, che registrano l'attività da singole cellule. Per quanto riguarda il controllo degli arti, penso che sarà un po' basilare, dice Andrew Schwartz , neuroscienziato dell'Università di Pittsburgh.
Tuttavia, ECoG possiede alcuni vantaggi significativi. Con gli elettrodi impiantati, la qualità dei segnali registrati degrada nel tempo e gli elettrodi rigidi a volte possono muoversi all'interno del cervello molle, richiedendo così la ricalibrazione del sistema. I dispositivi ECoG sono meno sensibili al movimento. E poiché si trovano sulla superficie del cervello, potrebbero essere meno suscettibili alla reazione immunitaria che si ritiene possa danneggiare gli elettrodi impiantati. È più probabile che gli elettrodi di superficie siano adatti per un uso a lungo termine, afferma Schalk.
I dispositivi ECoG miniaturizzati ora in fase di sviluppo potrebbero rendere questa tecnologia ancora più attraente. Con la procedura attuale, un chirurgo deve rimuovere un grosso pezzo di cranio per inserire l'array di elettrodi. Ma Justin Williams, un ingegnere biologico dell'Università del Wisconsin-Madison, sta sviluppando un dispositivo ECoG in miniatura che potrebbe essere alimentato attraverso un piccolo foro nel cranio e quindi dispiegato per coprire un'area più ampia della superficie corticale. Realizzato con fili di platino incorporati in un polimero flessibile chiamato poliimmide, che viene spesso utilizzato in elettronica, l'array di elettrodi è flessibile e si attacca al cervello umido. Ciò significa che si muove come si muove il cervello, catturando un segnale migliore. Si comporta come l'involucro di Saran su uno stampo Jell-O, dice Williams.