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Sensori “grandi” come granelli di sale rivoluzioneranno la BCI

I ricercatori della Brown University hanno ideato un sistema di interfaccia cervello-macchina, BCI, basato su sensori piccoli come granelli di sale che potrebbero portare ad un mapping ad alta risoluzione dell’attività cerebrale.

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Nell’estate 2021 i ricercatori della Brown University sono riusciti a far compiere attraverso l’ideazione di nuovi sensori un importante balzo in avanti alla BCI, acronimo di Brain-Computer Interface o interfaccia cervello-macchina. Gli scienziati sono riusciti a creare un sistema basato su neurograni, una rete di elettrodi della dimensione di un granello di sale in grado, una volta posizionati sulla corteccia cerebrale, di registrare l’attività elettrica dei sottostanti neuroni. L’obiettivo di questo dispositivo, che è ciò che lo differenzia dai precedenti, è sfruttare la dimensione e l’indipendenza di questi minuscoli sensori al fine di registrare l’attività di porzioni di corteccia sempre più ampie. Questo permetterebbe, in un futuro probabilmente non troppo lontano, di arrivare a studiare con più dettaglio il meccanismo e le terapie per quelle patologie in cui viene meno il collegamento tra il cervello e le restanti parti del corpo.

BCI: sensori per controllare il mondo con il pensiero

I dispositivi di BCI nascono con lo scopo di ridare mobilità e indipendenza a persone affette da paralisi. L’unità centrale di comando del nostro corpo, il cervello, comunica con il proprio target, cioè la parte del corpo che si vuole muovere, tramite segnali elettrici che viaggiano attraverso il sistema nervoso. In alcune patologie, come ictus, lesioni alla spina dorsale e molti disturbi neuromuscolari, si verifica una disconnessione tra il cervello e il suo target, come ad esempio gli arti inferiori, portando ad una condizione di incapacità di movimento. La BCI cerca di ricostruire il ponte di collegamento danneggiato dalla patologia.

L’idea fondamentale dei dispositivi di BCI, o interfacce neurali, è di riuscire a captare e registrare attraverso dei sensori il pensiero, che dal punto di vista fisiologico si esplica come impulsi elettrici che viaggiano tra i neuroni, decodificare il segnale letto e inviarlo ad un elemento esterno, come ad esempio un braccio protesico, al fine di far sì che esso si muova secondo la volontà del paziente: con la sola forza del pensiero una persona paralizzata può manipolare e controllare la realtà che lo circonda. Affinché questo avvenga, un qualsiasi dispositivo di BCI deve essere costituito da tre elementi fondamentali: un sensore per rivelare l’attività neurale, un decoder, cioè un traduttore che riceve i dati dal sensore, capisce l’intenzione dell’utilizzatore e converte l’intenzione in un segnale di comando per il terzo elemento, l’attuatore, che attua fisicamente il desiderio dell’utente.

sensori BCI
Schema del funzionamento della BCI per il controllo di un braccio protesico. Crediti: frontiersin.org

La ricerca sulla BCI esiste ormai da anni. Se prima una delle sfide principali, da un punto di vista tecnologico, era quella di passare da dispositivi wired, in cui il paziente era fisicamente collegato al dispositivo da controllare, a interfacce wireless, in cui la trasmissione dei segnali non richiede una connessione fisica, oggi la partita si gioca sulla ricerca di tecnologie in grado di registrare l’attività di sempre più neuroni e di trasmettere l’intero spettro del segnale registrato. Si inserisce in questa direzione l’ormai mediaticamente famosa “The Link”, l’interfaccia neurale di Neuralink che si stima possa arrivare a leggere in real-time segnali di migliaia di neuroni con cui controllare computer e telefoni e che a breve potrebbe arrivare alla fase di trial su essere umani. Ma Elonk Musk e la sua Neuralink hanno sicuramente degni competitor: i ricercatori della Brown University!

Un avanzatissimo centralino

Ad oggi la maggior parte delle interfacce neurali utilizza un numero molto ridotto di sensori, uno o due, in grado di registrare l’attività di poche centinaia di neuroni, il che rende impossibile captare e sfruttare la complessità dell’intero cervello. Al fine di poter posizionare più sensori sull’intera superficie corticale e registrarne l’attività, gli scienziati della Brown University hanno sviluppato una rete di sensori neurali piccoli come un granello di sale e indipendenti tra loro. I neurograni registrano l’attività elettrica dei neuroni vicini e comunicano, in maniera wireless e usando un protocollo di rete, il segnale ad un hub, una sorta di centralino di riferimento, posizionato esternamente sullo scalpo. In questo studio, inoltre, si va a rompere la configurazione tipica dei sistemi di BCI in cui i sensori si basano su array di elettrodi, blocchi monolitici che limitano la flessibilità di posizionamento dei rivelatori.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Electronics, ha coinvolto e ancora oggi coinvolge un team multidisciplinare tra esperti di neuroscienze, progettazione di circuiti elettronici, elettromagnetismo e comunicazioni alle radiofrequenze. Sviluppare l’interfaccia in esame ha posto ai ricercatori due grosse sfide: da una parte stringere in unico piccolissimo elemento tutta l’elettronica necessaria alla detezione, amplificazione e trasmissione del segnale nervoso, dall’altra lo sviluppo dell’hub esterno, un sottile patch della dimensione di un pollice da posizionare sullo scalpo e in grado di coordinare tutti i segnali dei neurograni. Il patch, inoltre, fornisce energia e carica in maniera wireless i sensori.

I neurograni usati nello studio della Brown University. Crediti: brown.edu / Jihun Lee

48 sensori di BCI sono stati posizionati sulla corteccia cerebrale di un roditore al fine di registrarne l’attività cerebrale spontanea, quindi inviata al patch esterno di coordinamento sullo scalpo. Il numero limitato si lega alla piccola dimensione del cervello dell’animale, ma ha permesso di attuare un campionamento del segnale ad alta risoluzione e le simulazioni suggeriscono la possibilità di alzare il numero degli elettrodi sino a 770 sensori. Non solo, gli scienziati hanno anche provato a testare la stimolazione del cervello attraverso piccoli impulsi elettrici generati e controllati dall’hub esterno, cosa che potrebbe risultare utile per il trattamento di alcune patologie e il ripristino di funzioni perse.

Lo studio, pur se iniziato 4 anni fa, è ancora in una fase iniziale in cui molto c’è da fare prima di passare ad un dispositivo commerciale. Uno degli obiettivi degli scienziati americani è quello di ricoprire la corteccia cerebrale con una configurazione che preveda migliaia di piccoli sensori al fine di avere una mappa cerebrale dell’essere umano completa. Il focus è arrivare ad un dispositivo non solo funzionale, ma anche in grado di permetterci di studiare approfonditamente l’attività e il funzionamento del cervello per poter formulare nuove terapie.