06/05/2007

INTERFACCIA COMPUTER CERVELLO PER L'AUTONOMIA E LA COMUNICAZIONE DI PAZIENTI CON LESIONI MIDOLLARI O NEUROLOGICHE 

(Dott.sa Francesca Caprino)

LO STATO DELLA RICERCA

 

Le interfacce computer - cervello (in inglese BCI: brain - computer interface) sono sistemi costituiti da strumenti di rilevazione dei correlati delle attività cerebrali (come ad esempio gli impulsi elettrici normalmente registrati attraverso l'elettroencefalogramma) e programmi avanzati in grado di decodificare e classificare, attraverso algoritmi di calcolo, i segnali rilevati (input) in output emessi da una macchina, come ad esempio un computer o un arto artificiale.

In parole più semplici l'interfaccia computer cervello è un sistema che svolge le funzioni normalmente assolte dal sistema nervoso periferico.

La ricerca su quest'area si è sviluppata prevalentemente in ambito neurologico: scopo delle sperimentazioni è stato inizialmente lo studio delle funzioni del sistema nervoso centrale e, successivamente, l'individuazione di un interfaccia che consentisse a persone con lesioni spinali o colpite da paralisi, ictus o altre patologie neurologiche (come ad esempio il morbo di Lou Gherig) e che non possono muoversi né comunicare, di acquisire un certo grado di controllo su alcune tipologie di azioni.

Chi è paralizzato potrebbe ad esempio muovere un arto artificiale o scrivere per mezzo di una tastiera virtuale muovendo il cursore del mouse sul monitor attraverso gli impulsi della corteccia cerebrale o ancora dirigere i movimenti di una carrozzina elettrica o gestire, attraverso un sistema di controllo ambientale, comuni apparecchiature domestiche.

I ricercatori sono a questo proposto ottimisti e confidano nel fatto che in un lasso inferiore ai dieci anni chi è completamente paralizzato o è colpito da gravi malattie neuro - degenerative potrà riguadagnare alcune delle abilità motorie e comunicative assenti o compromesse dalla patologia.

La ricerca scientifica in questo settore conta ormai quasi 30 anni; a partire dagli anni 80 il neurologo Georgopoulos dell'università del Minnesota condusse i primi pionieristici esperimenti con le scimmie registrando l'attività di singoli neuroni motori della corteccia frontale e parietale del cervello.

Negli anni successivi si è passati dalla registrazione dei singoli neuroni, a quella simultanea di più cellule nervose poiché anche il più semplice dei movimenti risulta essere il prodotto dell'attivazione di numerose cellule nervose collocate in aree diverse della corteccia.

Questo accorgimento ha reso possibile, durante la metà degli anni 90, il movimento di un braccio meccanico da parte di scimmie e topi.  

 

Com'è possibile decodificare gli impulsi trasmessi dal cervello?

 

Il cervello è basato su una trasmissione bio-elettrica che avviene attraverso le sue cellule, i neuroni.  

Le cellule nervose hanno lo stesso funzionamento, ma possiedono strutture diverse in relazione alla funzione che svolgono.

Un'attività mentale, come ad esempio decidere di muovere un arto in una certa direzione, dà luogo ad un'attivazione delle cellule nervose.

Affinché l'atto mentale possa essere decodificato è necessario in primo luogo che gli impulsi elettrici siano rilevati e in seguito mappati e tradotti, attraverso dei logaritmi, in informazioni.

Un primo problema sta nell'attribuire un certo significato ad un impulso elettrico rilevato in una determinata area del cervello. Tipicamente le sperimentazioni hanno riguardato la rilevazione dell'attività della corteccia motoria, ovvero della parte della zona corticale deputata al movimento.

Un secondo ordine di problemi riguarda la metodologia di rilevazione dell'attività neuronale.

I metodi per rilevare queste attività sono fondamentalmente tre:

  • il primo consiste nell'impiantare chirurgicamente degli elettrodi all'interno della corteccia cerebrale,
  • il secondo nel rilevare l'attività elettrica attraverso dispositivi collocati sulla superficie corticale,
  • la terza metodologia, la meno invasiva, consiste invece nel rilevare l'attività attraverso elettrodi collocati esternamente sulla scatola cranica come avviene in un normale elettroencefalogramma.
 
 

È evidente come i metodi più affidabili di registrazione dei segnali siano anche i più invasivi e quindi al momento di difficile praticabilità con gli esseri umani se non in particolari situazioni sperimentali.

Va inoltre rilevato come i soggetti che utilizzano questo tipo d'interfaccia, necessitano di norma di un certo periodo d'addestramento per imparare a intergire con le periferiche di output..

L'utilizzatore deve, infatti, familiarizzare con il protocollo sperimentale ed è inoltre necessario che i segnali emessi dal soggetto siano opportunamente individuati e classificati al fine di garantirne l'affidabilità e la rispondenza al compito (muovere il cursore di un mouse, aprire e chiudere un arto meccanico ecc.).

 

Un'efficace interazione tra uomo macchina è quindi la risultante di un processo di apprendimento bi-direzionale.

 

Qualunque sia il metodo di rilevazione dei segnali prescelto, gli attuali protocolli basati su compiti di natura motoria, prevedono che gli utilizzatori, nella fase di rilevazione del segnale, immaginino di eseguire un movimento con uno dei quattro arti.

 

Metodologie basate sulla rilevazione di segnali elettrici corticali e subcorticali

 

Sul fronte delle metodologie che impiegano elettrodi la frontiera è costituita dalla miniutarizzazione delle tecnologie (microchip che racchiudono in una superficie sempre più ristretta un numero sempre maggiore di informazioni) e dalle recenti innovazioni nel campo delle tecnologie dei materiali; gli sviluppi che sembrano   promettere nuove possibilità   nella messa a punto di   neuro- impianti sempre più sottili, flessibili e bio - compatibili.

 

Citiamo, a proposito dei materiali, un polimero, denominato Fuzzy, realizzato dai ricercatori del Macromolecular Science and Engineering Center dell' Università del Michigan.

 

La molecola “Fuzzy” grazie ai contorni irregolari, favorisce l'insediamento di cellule nervose intorno alla sua superficie, effetto che può essere ulteriormente amplificato attraverso l'uso di fattori di crescita neuronale.

 

Queste caratteristiche fanno sì che questo tipo di   impianti, all'interno dei quali vengono   collocati degli elettrodi, si integrino perfettamente con i tessuti nervosi del soggetto.

 

Esempi

 

Sfrutta queste nuove tecnologie un dispositivo chiamato Brain Gate, prodotto dalla società Cyberkinetics del Massachusetts.

 

Il Brian Gate è un microchip che misura circa 4 mm per 4 e che contiene un centinaio di sottilissimi elettrodi in grado di rilevare l'attività neurale della corteccia motoria e di tradurla in segnali. L'interfaccia Brain Gate è stato impiegato in piani sperimentali riguardanti esseri umani.

 

Uno dei primi volontari è stato l'ex giocatore di palla canestro Mattew Nagle , divenuto tetraplegico in seguito alle lesioni riportate dopo un'aggressione.

       

Mattew Nagle è stato sottoposto a un grande numero di esperimenti nel corso di quali è riuscito a muovere il cursore del mouse per aprire un programma di posta elettronica, a giocare con un semplicissimo videogame, a tracciare un rudimentale cerchio con un programma di grafica, a selezionare da un menu i programmi televisivi preferiti, a regolare il volume della televisione e a muovere un braccio robotico.

 

Tutte queste azioni sono state prodotte chiedendo a Nagle, cui è stato impiantato un elettrodo nell'area corticale della corteccia motoria, di immaginare di eseguire dei movimenti.

 

La FDA (Food and Drug Administration) americana ha recentemente autorizzato ulteriori sperimentazioni su esseri umani condotte per mezzo di questo dispositivo.

 

Metodologie basate sulla rilevazione di segnali elettroencefalografici dello scalpo

 

Per quanto riguarda invece le interfaccia basate su rilevazioni dei segnali elettrici dello scalpo un forte impulso alla ricerca è stato dato dalla coltivazione in vitro di cellule nervose, procedimento che ha consentito di creare sperimentalmente delle reti neurali in coltura in grado di simulare l'attività sensomotoria delle cellule nervose reali e di arrivare pertanto a costruire dei sistemi classificatori più accurati ed attendibili.

 

Esempi

Vogliamo citare a questo proposito un innovativo progetto italiano denominato ASPICE progettato e costruito dall'Istituto Santa Lucia di Roma grazie a fondi della fondazione Thelethon e conclusosi nel giugno del 2006.

Il prototipo ASPICE è destinato a persone affette da gravi patologie motorie e comprende una periferica di input (BCI2000)   in grado di rilevare i segnali elettroencefalografici dello scalpo attraverso: un caschetto dotato di elettrodi,   un interfaccia in grado di estrarre dagli input   segnali   decodificati   ed un sistema di output costituito da un software attraverso il quale la persona immobilizzata è in grado di gestire un altro software dedicato, installato su un comune personal computer, che propone un semplice menu attraverso il quale   è possibile spostarsi in due direzioni (immaginando rimuovere l'arto sinistro o l'arto destro) ed effettuare delle scelte (ovvero il click del mouse che si ottiene attraverso uno stato mentale di rilassamento).

Attraverso i movimenti del puntatore sullo schermo l'utente può in questo modo effettuare un parziale controllo ambientale (interagendo con l'impianto di illuminazione, la televisione, lo stereo, ecc.).

 

Lo stesso sistema può essere impiegato nell'uso di tastiere virtuali, permettendo alla persona di scrivere per mezzo di una tastiera virtuale alfanumerica dotato di un sistema a scansione doppia (si veda a questo proposito il nostro articolo, citato alla voce ‘articoli correlati').

 

Il sistema ASPICE è stato testato su un gruppo di pazienti con gravi patologie neuro motorie come la distrofia di Duchenne, l'Amiotrofia Spinale (SMA), la Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA).

 

l periodo di sperimentazione ha evidenziato le crescenti capacità di gestione del sistema, il miglioramento globale della qualità di vita e l'ottimo grado di soddisfazione degli utilizzatori.

 
 
 
Logo del progetto ASPICE
 

Conclusioni

 

Le linee di ricerca sulle interfacce computer cervello sono al momento molto numerose e non rappresentano una categoria omogenea.

 

Come ricorda il professor Nicoelis, della Duke University, occorre ancora usare un certo grado di   cautele nei confronti di queste applicazioni.

 

Soprattutto per quanto riguarda l'uso di interfaccia cervello - macchina che impiegano la rilevazione di segnali elettrici corticali e sub corticali, prima che divengano opzioni terapeutiche sicure si dovrà arrivare a un conto dei costi e dei benefici.

L'impianto di elettrodi costituisce infatti un problema di non facile soluzione in quanto può provocare   alterazioni che possono evolversi in infezioni dei tessuti.

La messa a punto di sistemi di rilevazione sempre meno invasivi e biologicamente compatibili che uniscono alle componenti hardware (gli elettrodi)   sofisticate componenti software   (un microchip), sembra comunque offrire ottime prospettive per il futuro.

Le metodologie a minore grado di invasività basate sulla rilevazione dell'informazione prodotta dall'attività mentale consapevole (segnali elettroencefalografici) si stanno parallelamente raffinando grazie ad algoritmi di calcolo in grado di   classificare in modo sempre più preciso   gli input dell'utilizzatore e   tradurli in comandi che portino all'esecuzione di   compiti specifici.

Va chiarito che a tutt'oggi sono disponibili solamente dei prototipi e che la strada per la commercializzazione di dispositivi che traducano in segnali   le attività cerebrali è ancora da venire.

Molto promettenti sembrano in ogni caso i prototipi messi a punto in alcuni laboratori nord americani ed europei.

 
 

Dott.sa Francesca Caprino

 

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Riferimenti

Applicazione di interfacce cervello computer come ausilio per la disabilità        motoria grave:sistema di comunicazione a controllo integrato Aspice

 
Tesi di laurea Università della Calabria, Facoltà di Ingegneria 2004, Fabio Aloise
L'elaborato è visionabile dal seguente sito: http://www.braincomputerinterface.it/archive/theses/Tesi_FabioAloise.pdf

 

2006   Leigh R. Hochberg, Mijail D. Serruya, Gerhard M. Friehs, Jon A. Mukand, Maryam Saleh, Abraham H. Caplan, Almut Branner, David Chen, Richard D. Penn and John P. Donoghue

Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia - Nature 442 , 164-171(13 Luglio 2006)
 
2002 Miguel A. L. Nicolelis,   John K. Chapin
" Controllare i robot col pensiero "     Le Scienze - n° 411 / novembre 2002
  Link utili

http://www.aspice.it/

Sito del progetto ASPICE della fondazione Santa Lucia di Roma

 

http://www.cyberkineticsinc.com/video.htm

A questo link potrete trovare un video dimostrativo, realizzato dalla Cibernetiks, sul funzionamento del dispositivo Braingate

http://www.braincomputerinterface.it/

Portale del gruppo italiano di interesse sulle interfacce cervello-computer

http://www.cbi.dongnocchi.it/

Sito del centro di bioingegneria della fondazione Don Gnocchi

http://www.lesionispinali.org

Sito de “ La colonna, Associazione lesioni spinali”.

Alla sezione ‘ausili' si trova dell'interessante materiale sulle interfacce computer cervello