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Scimmia pensa che il robot entri in azione
In una drammatica dimostrazione del potenziale delle braccia protesiche, una scimmia dell'Università di Pittsburgh è stata in grado di usare il suo cervello per controllare direttamente un braccio robotico e nutrirsi con un marshmallow. La ricerca, pubblicata oggi sulla rivista Natura , è il primo a dimostrare che un'interfaccia che converte i segnali cerebrali direttamente in azione è abbastanza sofisticata da svolgere una funzione pratica: mangiare. I ricercatori che hanno guidato il lavoro hanno appena iniziato i test umani di una tecnologia correlata.
Potere del cervello: Una scimmia con una serie di minuscoli elettrodi impiantati nel cervello usa i suoi pensieri per controllare un braccio robotico, afferrando un pezzo di marshmallow e portandolo alla bocca. Gli scienziati alla fine sperano che questo tipo di interfaccia cervello-macchina aiuti le persone paralizzate a svolgere le attività quotidiane, come nutrirsi o lavarsi i capelli.
È la prima volta che una scimmia, o un essere umano, controlla direttamente, con il proprio cervello, un vero braccio protesico, afferma Krishna Shenoy , un neuroscienziato della Stanford University che non era coinvolto nella ricerca.
Le persone che soffrono di ictus o lesioni del midollo spinale o di alcune malattie neurodegenerative, come la sclerosi laterale amiotrofica (SLA), rimangono spesso paralizzate. Ma le loro cortecce cerebrali, le parti del cervello che controllano il movimento, la pianificazione e altre funzioni, possono rimanere in gran parte intatte. Gli scienziati sperano di trarre vantaggio da ciò con lo sviluppo di interfacce cervello-macchina, dispositivi che convertono l'attività cerebrale in azione, come il movimento di un cursore sullo schermo di un computer.
Le persone completamente paralizzate possono ora utilizzare interfacce cervello-macchina che misurano in modo non invasivo i segnali registrati dalla superficie del cuoio capelluto, ma i dispositivi sono lenti e richiedono una concentrazione sostenuta per funzionare. Per creare una protesi che funzioni come un vero braccio - l'utente pensa di muovere il braccio e questo si muove - molto probabilmente richiederà che l'attività elettrica venga registrata direttamente dal cervello.
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Guarda la scimmia usare il braccio robotico per nutrirsi.
Guarda la scimmia manipolare il braccio robotico in modo da poter leccare la mano robotica.
Ciò è diventato possibile negli ultimi anni, grazie ai progressi nelle minuscole serie di elettrodi utilizzati per registrare i segnali neurali. In precedenti ricerche, John Donoghue e i suoi colleghi della Brown University hanno dimostrato che gli elettrodi impiantati nel cervello di un uomo paralizzato potrebbero essere utilizzati per spostare un cursore sullo schermo di un computer e persino per eseguire un semplice movimento con un braccio robotico. Ma questa e altre ricerche sono state limitate a movimenti mono o bidimensionali e, a parte alcuni casi che utilizzano un braccio meccanico o una pinza, sono state eseguite virtualmente, su uno schermo.
Nell'ultima ricerca, guidata dal neuroscienziato Andrew Schwartz all'Università di Pittsburgh, la scimmia è stata in grado di svolgere un compito più complicato. Andy ha compiuto un ulteriore passo avanti, verso un dispositivo pratico che potrebbe essere utile nel mondo reale, afferma Giovanni Kalaska , neuroscienziato dell'Università di Montreal, in Canada, che ha scritto un commento che accompagna la pubblicazione. L'animale può semplicemente, attraverso una sorta di pratica mentale, far muovere il robot verso dove si trova il [cibo], chiudere la mano, riportarlo alla bocca e farglielo mangiare.
Per realizzare l'impresa, due scimmie hanno avuto una griglia di microelettrodi impiantati nella corteccia motoria, parte del cervello che controlla la pianificazione e l'esecuzione motoria. Gli animali erano stati precedentemente addestrati a muovere un braccio robotico antropomorfo, con articolazioni mobili su spalla, gomito e polso, usando un joystick. Per imparare a controllare la protesi con la mente, le scimmie hanno tenuto le braccia temporaneamente trattenute mentre guardavano un computer muovere il braccio attraverso i movimenti richiesti: estendere il braccio al pezzo di cibo, afferrarlo, portarlo alla bocca e rilascialo. Si immaginano di svolgere il compito, come fanno gli atleti per lo sport, afferma Schwartz. I neuroni sono attivi mentre osservano il movimento, quindi possiamo catturare i [segnali neurali] e usarli per il nostro controllo.
Schwartz e il suo team hanno utilizzato algoritmi relativamente semplici per decodificare i modelli di attività neurale registrati durante la fase di osservazione, quindi hanno utilizzato tali informazioni per controllare il braccio robotico in tempo reale. (Gli scienziati possono dedurre sia la direzione che la velocità di un movimento previsto dall'attività di insiemi di neuroni nella corteccia motoria: l'attività di specifiche raccolte di cellule indica la direzione, mentre l'ampiezza del segnale complessivo determina la velocità.)
Dopo appena due giorni di addestramento, le scimmie hanno imparato a controllare il braccio in tre dimensioni ea controllare la pinza posta all'estremità che funziona come una mano. Gli animali hanno persino imparato a usare il braccio in modi in cui non erano stati addestrati: un video di accompagnamento mostra un animale che usa il braccio per spingersi un pezzo di cibo in bocca. In un secondo video, la scimmia riporta la pinza alla bocca e la lecca, ignorando un altro pezzo di cibo. Diventa così bravo a usare lo strumento che potrebbe pensarci come parte del suo stesso corpo, dice Schwartz. Egli paragona il processo di addestramento all'apprendimento dell'uso del mouse per controllare il cursore di un computer. Dopo un certo periodo di apprendimento, non stai pensando a come devi attivare un muscolo in un dito indice per premere il pulsante sinistro del mouse, dice. In questo modo, hai incarnato il cursore sullo schermo.
Schwartz e i suoi collaboratori stanno ora testando la tecnologia sugli esseri umani. Il primo test, iniziato proprio la scorsa settimana, è su un paziente epilettico sottoposto a un test diagnostico, noto come elettrocorticografia, in cui vengono posizionati chirurgicamente degli elettrodi sulla superficie del cervello per cercare di identificare la fonte delle crisi. Gli elettrodi di superficie sono più precisi delle registrazioni non invasive del cuoio capelluto e sono meno invasivi degli elettrodi impiantati nel cervello, sebbene diano un livello di controllo più grezzo. Gli scienziati si dedicheranno a quel test diagnostico e proveranno a utilizzare i segnali registrati dagli elettrodi per controllare un programma per computer.
In caso di successo, i ricercatori inizieranno a testare la tecnologia nei pazienti con SLA. Nelle fasi finali di questa malattia, i pazienti sono completamente paralizzati; un programma per computer controllato dal cervello potrebbe aiutarli a fare cose basilari, come scrivere un'e-mail. Pensiamo che questo potrebbe dare loro un modo di comunicare con gli altri più veloce dei metodi esistenti, afferma Schwartz. Speriamo di essere in grado di creare un'interfaccia per una velocità di digitazione moderata, da 30 a 40 parole al minuto.
I ricercatori mirano a testare negli esseri umani elettrodi completamente impiantati, come quelli utilizzati nella scimmia per controllare il braccio robotico, entro i prossimi due anni. Con gli umani, mi aspetto di ottenere un controllo molto migliore, afferma Schwartz. Oltre ad essere più facili da addestrare, si spera che gli umani possano spiegare cosa è difficile o deve essere migliorato, dice.
Anche se questi test hanno successo, rimangono ostacoli significativi prima che tali dispositivi possano essere utilizzati di routine nei pazienti. Gli elettrodi attualmente in uso non sono ideali per la registrazione a lungo termine: i segnali si degradano nel tempo. E l'intero sistema dovrà infine essere reso portatile e wireless, o almeno facile da usare. Dobbiamo renderlo abbastanza facile in modo che i pazienti possano esercitarsi ogni volta che vogliono, piuttosto che avere un tecnico che viene a casa e installa apparecchiature complicate, afferma Schwartz. Speriamo che ci sarà un miglioramento negli array di elettrodi, tutto, dai rivestimenti bioattivi alla telemetria. In due anni, molto di questo dovrebbe essere a posto.