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La BCI che legge la scrittura a mano dal cervello dell’uomo paralizzato

Un uomo paralizzato dal collo in giù ha comunicato utilizzando un’interfaccia cervello-computer “brain-to-text”, superando il doppio della velocità dei sistemi BCI per la comunicazione esistenti.

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I ricercatori della BrainGate Collaboration (che comprende studiosi della Brown University, del Massachusetts General Hospital, della Harvard Medical School, del Providence VA Medical Center, della Stanford University e della Case Western Reserve University) hanno sviluppato un’innovativa interfaccia cervello-computer (BCI) che ha permesso a un uomo paralizzato di “digitare” a una velocità di 90 caratteri al minuto. Questo è stato reso possibile grazie a nuove ricerche, le quali suggeriscono che è possibile compiere un incredibile balzo in avanti nella comunicazione per i soggetti con lesioni spinali che utilizzano sistemi denominati “brain to text”, letteralmente “da cervello a testo”.

L’importanza di abbattere le disabilità comunicative

La BCI che legge la scrittura a mano dal cervello dell’uomo paralizzato. Credits: Nature/Erika Woodrum
Credits: Nature/Erika Woodrum

La tecnologia dell’interfaccia cervello-computer (BCI) si sta sviluppando rapidamente, le possibilità per un paziente paralizzato sono immense, con il potenziale per una migliore comunicazione, movimento e controllo dei dispositivi esterni. Molti sistemi si sono concentrati sul consentire ai pazienti di controllare le protesi robotiche e le sedie a rotelle. Tuttavia, la parola scritta è estremamente importante, in particolare nella nostra società sempre più digitale e le tecnologie che la rendono più accessibile a questi pazienti sarebbero molto gradite.

Piuttosto che tentare di rendere utilizzabile una tastiera virtuale leggendo l’attività neurale del cervello, il team responsabile dello studio si è concentrato sul monitoraggio della grafia immaginaria: il paziente immagina di scrivere ogni lettera a mano e i sensori impiantati nel cervello riconoscono la firma neurale unica di ciascuna lettera.

La BCI ha consentito a un uomo paralizzato di “digitare” a 90 caratteri al minuto

La BCI che legge la scrittura a mano dal cervello dell’uomo paralizzato. Credits: Nature/BrainGate
Un partecipante alla sperimentazione clinica ha creato queste lettere sullo schermo di un computer semplicemente pensando all’atto di muovere il braccio e la mano per scrivere. Credits: Nature/BrainGate

I sistemi esistenti che tracciano l’attività del cervello e la mappano su un computer sono tipicamente basati sui pensieri associati ai movimenti del braccio. Tracciandoli, anche se il braccio stesso non può muoversi, i movimenti possono essere mappati per evidenziare i tasti su una tastiera virtuale o un altro tipo di interfaccia. In poche parole, il soggetto pensa di spostare un cursore su uno schermo contenente una tastiera virtuale e poi seleziona la lettera desiderata.

Sebbene questo sistema funzioni, la performance avviene a una velocità limitata: il record dei sistemi attuali è di circa 40 caratteri al minuto. L’idea innovativa è arrivata da Krishna Shenoy, un ricercatore dell’Howard Hughes Medical Institute (HHMI) presso la Stanford University e dal neurochirurgo di Stanford Jaimie Henderson: anziché i movimenti delle braccia, i due ricercatori hanno esaminato l’attività cerebrale quando le persone immaginano di scrivere a mano.

I risultati sono stati entusiasmanti. Secondo il research specialist dell’HHMI e neuroscienziato Frank Willett, il quale ha partecipato al progetto, immaginare lettere che sarebbero state scritte a mano si traduce in modelli di attività neurale altamente distintivi. Pertanto, un algoritmo addestrato a riconoscerli può essere molto più veloce dei sistema BCI esistenti. “Vogliamo trovare nuovi modi per consentire alle persone di comunicare più velocemente”, ha detto Frank Willett. “Questo nuovo sistema utilizza sia la ricca attività neurale registrata dagli elettrodi intracorticali sia la potenza dei modelli linguistici che, se applicati alle lettere neuralmente decodificate, possono creare un testo rapido e accurato.”

Il cervello dell’uomo paralizzato decodificato per tornare a comunicare grazie alla tecnologia BCI

La BCI che legge la scrittura a mano dal cervello dell’uomo paralizzato. Credits: Nature/BrainGate
Le interfacce cervello-computer utilizzano minuscoli elettrodi per registrare i segnali nel cervello.
Credits: Nature/BrainGate

Il soggetto dello studio era un uomo di 65 anni che, dopo una lesione al midollo spinale, era rimasto paralizzato dal collo in giù. L’uomo aveva due sensori impiantati nella parte del cervello che tipicamente controlla la mano e il braccio. Collegato il cervello a un computer, quando il soggetto immaginava di scrivere lettere con una penna su carta, gli algoritmi potevano convertire quegli impulsi in testo digitale. “Con questo sistema, l’uomo potrebbe produrre frasi e rispondere alle domande a una velocità simile a quella di qualcuno della sua età che digita su uno smartphone”, dicono i ricercatori. In effetti, è stato in grado di produrre testo a 90 caratteri al minuto, più del doppio della velocità dei sistemi BCI esistenti.

“Una missione importante della nostra ricerca del consorzio BrainGate è ripristinare una comunicazione rapida e intuitiva per le persone con gravi disturbi del linguaggio o motori”, ha detto Leigh Hochberg, un ricercatore coinvolto nello studio, tramite un annuncio della Brown University. “[Questa] dimostrazione della decodifica neurale rapida e accurata della scrittura a mano segna un nuovo entusiasmante capitolo nello sviluppo di neurotecnologie clinicamente utili“.

Obiettivi e progetti futuri

L’obiettivo del gruppo di ricerca è includere la scrittura a mano mentale come un’opzione di input, oltre a sostituire la navigazione “punta-e-clicca” esistente. Il team responsabile del nuovo sistema BCI ha anche lavorato alla decodifica vocale e prevede un sistema unificato che supporterebbe una serie di diverse modalità di input che sfruttano collettivamente i vantaggi di velocità e precisione di ciascuna di esse. Inoltre, il gruppo prevede già di lavorare con un altro partecipante che non è in grado di parlare, poiché le capacità del sistema in fase di sviluppo sono state completate. Sebbene sia ancora troppo presto per pensare a una versione del nuovo sistema BCI utilizzabile come prodotto in clinica, l’obiettivo finale sarà quello di dare l’opportunità agli utenti paralizzati di comunicare in tempo reale piuttosto che costringerli a scegliere interfacce più dispendiose in termini di tempo.