Interfacce Cervello-Computer (BCI): Scoperte che Consentono alle Persone Disabili di Ripristinare le Capacità e Prosperare

Il progresso tecnologico sta crescendo a un ritmo così rapido che le persone con disabilità possono ora parlare, camminare, giocare e fare molto di più usando solo la mente.

Questo sviluppo è stato guidato dal progresso nella tecnologia delle Interfacce Cervello-Computer (BCI). Le BCI consentono agli individui di controllare dispositivi esterni, come i computer, usando solo i loro pensieri. Queste interfacce funzionano acquisendo i segnali cerebrali, analizzandoli e traducendoli in comandi che possono essere trasmessi al dispositivo di output.

Le BCI hanno una vasta gamma di applicazioni, inclusa l’assistenza alle persone con disabilità ripristinando funzioni perse a causa di condizioni come ictus, neurodegenerazione e lesioni del midollo spinale. Ripristinando capacità come la vista, la parola e la funzione motoria, le BCI dimostrano il potenziale di migliorare le capacità umane.

A seconda di come i segnali vengono prelevati dal cervello, l’Interfaccia Cervello-Computer può essere definita come:

1. Invasiva, dove gli elettrodi sono impiantati direttamente nella corteccia
2. Semi-invasiva, dove gli elettrodi sono posizionati sulla superficie esposta del cervello
3. Non invasiva, dove gli elettrodi sono posizionati sul cuoio capelluto

Negli ultimi dieci anni, la ricerca e lo sviluppo nella tecnologia BCI sono cresciuti in modo significativo. I recenti progressi hanno permesso a individui con paralisi grave di comunicare traducendo i loro segnali cerebrali in testo e di riacquistare il controllo su arti protesiche o sui loro muscoli. Le BCI sono inoltre esplorate per migliorare la memoria, potenziare l’apprendimento e affrontare problemi di salute mentale.

Con così tanto in corso nel campo delle BCI, diamo un’occhiata alle più recenti scoperte fatte dagli scienziati che hanno il potenziale di migliorare significativamente le capacità umane.

Ripristinare la Capacità di Parlare con Alta Precisione

In uno studio pubblicato proprio questo mese, i ricercatori hanno sviluppato una nuova BCI che traduce i segnali cerebrali in parlato con un’accuratezza fino al 97%, che è uno dei sistemi più precisi del suo genere.

I sensori sono stati impiantati nel cervello di Casey Harrell, un uomo di 45 anni che aveva la parola gravemente compromessa a causa della sclerosi laterale amiotrofica (SLA). Conosciuta anche come malattia di Lou Gehrig, questa patologia neurologica colpisce le cellule nervose che controllano il movimento in tutto il corpo e porta a una perdita graduale della capacità di camminare, stare in piedi e parlare.

Quando Harrell si è unito alla sperimentazione clinica BrainGate, la sua parola era incomprensibile e gli altri dovevano aiutarlo a interpretarla. Tuttavia, pochi minuti dopo l’attivazione del sistema BCI, è stato in grado di comunicare la frase che intendeva.

UC Davis Health ha creato questa nuova tecnologia BCI per persone con condizioni neurologiche incapaci di comunicare verbalmente. 

Quando un utente tenta di parlare, il nuovo sistema interpreta i segnali cerebrali prima di trasformarli in testo che viene poi ‘pronunciato’ ad alta voce dal computer.

“La nostra tecnologia BCI ha aiutato un uomo con paralisi a comunicare con amici, familiari e assistenti.”

– David Brandman, co-autore senior e co-investigatore principale dello studio e neurochirurgo presso UC Davis

Ha inoltre aggiunto che il loro esperimento ha dimostrato “la neuroprotesi vocale più accurata (dispositivo) mai segnalata”.

Brandman, che è anche professore assistente nel Dipartimento di Neurochirurgia dell’UC Davis e co-direttore del Laboratorio di Neuroprotesi dell’UC Davis, ha impiantato il dispositivo BCI lo scorso luglio. Quattro array di microelettrodi sono stati impiantati nella regione cerebrale responsabile del coordinamento della parola, il giro precentrale sinistro. Questi array utilizzano 256 elettrodi corticali per registrare l’attività cerebrale.

Con questo dispositivo, i tentativi dei pazienti di muovere i muscoli e parlare vengono rilevati.

“Stiamo registrando dalla parte del cervello che sta cercando di inviare questi comandi ai muscoli. E stiamo fondamentalmente ascoltando, e traduciamo quei pattern di attività cerebrale in un fonema – come una sillaba o l’unità del parlato – e poi nelle parole che stanno cercando di dire”.”

– Neuroscienziato Sergey Stavisky, co-investigatore principale dello studio e professore assistente nel Dipartimento di Neurochirurgia e co-direttore del Laboratorio di Neuroprotesi dell’UC Davis

La tecnologia BCI è progredita notevolmente negli ultimi anni, ma gli sforzi per abilitare la comunicazione sono stati lenti e soggetti a frequenti errori di parole. Questo è dovuto al fatto che i programmi di apprendimento automatico che interpretano i segnali cerebrali richiedono molto tempo e dati per funzionare.

Il nuovo sistema mira a rimuovere quella barriera alla comunicazione che rende difficile per l’utente essere compreso costantemente.  

“Il nostro obiettivo era sviluppare un sistema che permettesse a qualcuno di essere compreso ogni volta che volesse parlare.”

– Brandman

Il paziente ha usato il sistema sia in contesti conversazionali spontanei che guidati. La decodifica veloce, in entrambi i casi, avveniva in tempo reale con aggiornamenti costanti che ne garantivano l’accuratezza. Le parole decodificate sono state poi mostrate su uno schermo e lette ad alta voce dal computer. 

La voce che la leggeva ad alta voce era in realtà quella del paziente prima della SLA. Per questo, i ricercatori hanno usato un software che è stato addestrato con campioni audio esistenti della voce pre-SLA del paziente.

La prima sessione di addestramento dei dati vocali ha richiesto solo mezz’ora al sistema per raggiungere un’impressionante 99,6% di accuratezza delle parole con un vocabolario di 50 parole. La sessione successiva ha richiesto ulteriori 1,4 ore di dati di addestramento per raggiungere il 90,2% di accuratezza con un vocabolario di 125.000 parole. Con la continua raccolta di dati, la BCI ha mantenuto un’accuratezza del 97,5%.

Questa capacità di decodificare correttamente ciò che la persona con l’impianto sta dicendo circa il 97% delle volte, secondo Brandman, “è migliore di molte applicazioni per smartphone commercialmente disponibili che cercano di interpretare la voce di una persona”.

Lo studio ha condotto 84 sessioni di raccolta dati in 32 settimane. Il paziente ha usato la BCI per la comunicazione via video chat e di persona per più di 248 ore. 

Migliorare la Comunicazione & Mobilità con Sistemi BCI Unici

Un altro grande sviluppo negli ultimi mesi proviene dalla Carnegie Mellon University, dove i ricercatori sono stati in grado di raggiungere una funzionalità BCI bidirezionale. Questo risultato migliora la capacità dell’interfaccia di interpretare i segnali cerebrali e inviare feedback sensoriale direttamente al cervello. 

Bin He, professore di ingegneria biomedica all’Università, e il suo gruppo sono riusciti a integrare la stimolazione a ultrasuoni focalizzati per realizzare una comunicazione doppia per la prima volta. 

In uno studio con 25 soggetti umani, la BCI bidirezionale ha utilizzato l’apprendimento automatico per codificare e decodificare le onde cerebrali. Questo sviluppo ha il potenziale di migliorare significativamente la qualità del segnale e le prestazioni complessive delle BCI non invasive stimolando circuiti neuronali mirati.

Mentre la tecnologia BCI non invasiva è sicura ed economica, il fatto che registri i segnali dal cuoio capelluto anziché dall’interno del cervello e la qualità dei suoi segnali hanno delle limitazioni. 

Perciò, il gruppo della Carnegie Mellon University ha lavorato per migliorare l’efficacia delle BCI non invasive. Questo ha portato all’uso di approcci di deep learning per decodificare esattamente ciò che si pensa e poi facilitare il controllo di un braccio robotico o di un cursore. Ora, nella loro ultima ricerca, il gruppo ha usato ultrasuoni focalizzati per una neuromodulazione non invasiva di precisione, e i risultati hanno mostrato un notevole miglioramento delle prestazioni di comunicazione della BCI basata su EEG.

I soggetti umani nello studio hanno usato un BCI speller, che è un ausilio visivo di movimento comunemente usato da chi non parla per comunicare e scrivere frasi come “Carnegie Mellon”.

Nello studio, i soggetti hanno indossato un cappuccio EEG e hanno generato segnali EEG semplicemente guardando le lettere per scrivere le parole che desideravano.

Applicando un fascio di ultrasuoni focalizzato all’area V5 del cervello, che fa parte della corteccia visiva, i ricercatori sono riusciti a migliorare notevolmente le prestazioni della BCI non invasiva tra i soggetti. 

“L’iniziativa BRAIN ha supportato più di 60 progetti di ultrasuoni sin dalla sua nascita. Questa applicazione unica delle tecnologie di registrazione e modulazione non invasive espande il set di strumenti, con un potenziale impatto scalabile nell’assistere le persone con disabilità comunicative.”

– Dott.ssa Grace Hwang, direttrice del programma presso l’iniziativa BRAIN del NIH

Tuttavia, un altro grande sviluppo è stato osservato lo scorso anno quando una BCI ha permesso a un uomo paralizzato, dopo una lesione del midollo spinale, non solo di stare in piedi ma anche di camminare naturalmente. Questa interfaccia cervello-colonna vertebrale ha vinto il Physics World 2023 Breakthrough of the Year.

Questo sistema comprendeva due dispositivi completamente impiantabili, uno che registrava l’attività cerebrale correlata al movimento delle gambe e l’altro che stimolava elettricamente il midollo spinale per controllare i muscoli delle gambe. Questo ha creato un ‘ponte digitale’, consentendo a un individuo con paralisi di braccia e gambe di camminare.

I segnali ECoG dal cervello sono stati monitorati usando una griglia di elettrodi a 64 canali incastonata in una custodia di titanio dello stesso spessore del cranio.

La tecnologia è stata sviluppata basandosi su WIMAGINE, un dispositivo medico impiantabile unico in grado di registrare l’attività cerebrale sulla superficie della corteccia. È stato inoltre sviluppato un algoritmo AI dedicato per la decodifica in tempo reale dell’intenzione di movimento del paziente.

Nella sperimentazione clinica del dispositivo, un uomo di 38 anni con una lesione cervicale incompleta del midollo spinale dovuta a un incidente in bicicletta dieci anni prima ha avuto due dispositivi impiantati chirurgicamente nel cervello e un lead a paddle sul midollo spinale lombare.

Utilizzando il BSI, il paziente è stato in grado di salire le scale, superare ostacoli e affrontare terreni variabili. Inoltre, il BSI è stato stabile e affidabile per oltre un anno di utilizzo senza supervisione.

Ma Cosa Riguarda la Sicurezza dei Dispositivi BCI?

In mezzo a tutti questi progressi, ci sono state molte preoccupazioni riguardo alla gestione dei dati neurali e alle minacce di cybersicurezza come il brain tapping e gli attacchi di stimoli ingannevoli. Un’altra grande preoccupazione riguarda il profilo di sicurezza dell’interfaccia cervello-computer.

Per le BCI invasive, esiste il rischio di infezioni cerebrali, danni ai tessuti, convulsioni, sanguinamenti e emorragie. Al contrario, le BCI non invasive possono causare mal di testa, affaticamento degli occhi e irritazione cutanea a causa di un’esposizione prolungata a campi elettromagnetici. 

Mentre queste preoccupazioni sono legittime, uno studio dei ricercatori della Brown University ha analizzato quasi due decenni di dati sulla sicurezza di sperimentazioni cliniche che testavano la tecnologia BrainGate e ha riscontrato bassi tassi di eventi avversi.

La BCI BrainGate è in sviluppo da più di vent’anni, e lo studio più recente conclude che la sua neurotecnologia dovrebbe continuare ad essere valutata per il suo potenziale di aiutare le persone con paralisi a trasformare i pensieri sul movimento in azioni reali e a recuperare le funzioni neurologiche perse.

Secondo il Dr. Leigh R. Hochberg, professore di scienze cerebrali alla Brown e direttore del consorzio accademico BrainGate che guida lo sviluppo e i test della tecnologia:

“Nel più grande studio in corso di interfacce cervello-computer intracorticali, il profilo di sicurezza intermedio riportato oggi supporta la possibilità che questi sistemi possano diventare neurotecnologie restaurative per le persone con paralisi.”

Mentre le BCI intracorticali mostrano un enorme potenziale nella mobilità e nel ripristino della vita comunitaria, Hochberg ha affermato che per questi progressi si traducano realmente in cure per i pazienti, tutto dipende da “se i dispositivi sono accompagnati da un grado di rischio accettabilmente basso”.

Il rapporto sulla sicurezza ha valutato poco più di 12.200 giorni di dati sulla sicurezza riguardanti 14 partecipanti a sperimentazioni cliniche appartenenti alla fascia di età 18-75 con quadriparesi derivante da SLA, lesione del midollo spinale o ictus del tronco encefalico. 

Tra il 2004 e il 2021, quando tutti questi pazienti sono stati arruolati nelle sperimentazioni, sono stati riscontrati 68 eventi avversi correlati al dispositivo. L’irritazione cutanea è stato il problema più comune, verificatosi nella piccola porzione del dispositivo.

Sei eventi avversi sono stati associati alla procedura chirurgica. Due partecipanti con una storia di trauma cranico hanno subito brevi convulsioni post-operatorie ma sono state facilmente trattate. 

Nonostante la presenza di eventi avversi, nessuno di quelli documentati è stato inaspettato. Inoltre, nessuno di questi eventi ha portato a infezioni del sistema nervoso che richiedessero la rimozione del dispositivo o a una disabilità permanentemente aumentata.

Mentre i rassicuranti risultati di sicurezza del sistema BrainGate Neural Interface rappresentano un grande passo avanti, resta molto lavoro da fare, incluso garantire che i dispositivi siano completamente impiantati e disponibili per gli utenti 24/7.

Aziende Che Stanno Facendo Progressi nel Campo delle BCI

Synchron, Blackrock Neurotech, Kernel ed Emotiv sono tra le numerose organizzazioni che lavorano per far progredire questa tecnologia e ne esplorano le applicazioni nei settori medico, cognitivo e dell’intrattenimento. 

La maggior parte di queste aziende è privata, ed è raro vedere aziende pubbliche avanzare in questo ambito. Quelle che sono pubbliche lo sono perché fanno parte di organizzazioni più grandi. Ad esempio, NextMind, che ha sviluppato un dispositivo BCI non invasivo, è stata acquisita da Snap Inc. (SNAP ) Un altro esempio è Ctrl-labs, una startup di interfacce neurali che è stata acquisita da Meta (precedentemente Facebook).

Quindi, diamo un’occhiata ad alcuni nomi di spicco che sono in prima linea nella tecnologia BCI:

#1. Neurable 

Neurable è una società di neurotecnologia che sviluppa strumenti basati sull’IA per la traduzione dei segnali cerebrali e la tecnologia BCI. Nel maggio 2024, l’azienda ha raccolto 13 milioni di dollari, portando il totale dei finanziamenti dal suo avvio a oltre 30 milioni di dollari. Alla fine del 2019, Neurable ha raccolto 6 milioni di dollari in un round di finanziamento Series A per andare oltre le applicazioni VR e sviluppare BCI non invasive, due anni dopo aver presentato il primo gioco VR controllato dalla mente al mondo.

Ora, con il nuovo round di finanziamento, l’azienda mira a rendere la sua tecnologia “accessibile a tutti”, ha dichiarato il CEO Dr. Ramses Alcaide, aggiungendo:

“Stiamo dando alle persone la possibilità di comprendere la propria mente, ottimizzare le prestazioni umane e affrontare le sfide sanitarie più urgenti della nostra generazione.”

#2. Precision Neuroscience

Questa azienda ha recentemente stabilito un record mondiale per il numero di elettrodi, 4.096 in totale, posizionati sul cervello umano per registrare dati corticali. Lo sviluppo è avvenuto nell’ambito dei test di Precision Neuroscience sulla sua Interfaccia Corticale Layer 7. Questo risultato è previsto per aiutare l’azienda a “comprendere il cervello in modo molto più profondo”.

Precision Neuroscience è stata fondata da Benjamin Rapoport, un neurochirurgo che ha co-fondato Neuralink ma ha lasciato l’azienda, citando preoccupazioni sulla sicurezza. 

#3. Neuralink

Fondata da Elon Musk, Neuralink è una società privata statunitense che sviluppa BCI ad alta larghezza di banda per trattare condizioni neurologiche e, in futuro, migliorare le capacità cognitive umane. L’obiettivo dell’azienda è creare dispositivi impiantabili in grado di leggere e stimolare un gran numero di neuroni.

Più recentemente, la seconda persona con un chip cerebrale Neuralink, che, a differenza del primo, rimane completamente attaccato al cervello, ha usato l’impianto per giocare al popolare videogioco Counter-Strike 2. Il chip è stato impiantato lo scorso mese, e il paziente ha riferito una guarigione “fluida”. Il paziente aveva perso il controllo degli arti dopo una lesione del midollo spinale. 

Questo sviluppo è avvenuto dopo che il primo paziente aveva lo 0,85% degli elettrodi attaccati al cervello spostati, sebbene potesse comunque utilizzare l’impianto efficacemente. L’azienda ha ridotto alcune mitigazioni per evitare il problema, e finora non è stata osservata alcuna retrazione del filo.

Durante la sua ultima apparizione nel podcast di Lex Fridman, Musk ha previsto che un essere umano con un cervello potenziato da chip che sconfigge un giocatore professionista di videogiochi non è più così lontano. Parlando del futuro, Musk ha anche affermato che l’obiettivo a lungo termine di Neuralink è migliorare la simbiosi tra IA e umani potenziando la capacità di comunicazione di un individuo su larga scala.

Conclusione 

La tecnologia BCI ha guadagnato molta attenzione e slancio negli ultimi anni, e questo sviluppo non mostra segni di rallentamento. In effetti, nuovi record e scoperte vengono costantemente raggiunti, con l’obiettivo non solo di consentire alle persone con disabilità di avere vite più arricchenti, ma anche di mostrare il potenziale di migliorare le capacità negli esseri umani sani. 

Mentre la strada per implementare questa tecnologia è ancora lunga, il progresso continuo dimostra che ciò che una volta era parte della fantascienza potrebbe presto diventare realtà. 

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