La tecnologia di interfaccia cervello-computer ripristina la sensazione alla mano dell’individuo con lesioni del midollo spinale
Un team di ricercatori della Battelle e del Wexner Medical Center dell’Università dell’Ohio ha riferito che, attraverso l’uso della tecnologia Brain-Computer Interface, hanno ripristinato con successo la sensazione alla mano di un individuo con una grave lesione al midollo spinale. Questo sviluppo arriva quando i ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando su una tecnologia in grado di ripristinare la funzionalità degli arti per le persone paralizzate da lesioni o malattie.
Feedback sensoriale artificiale
La nuova tecnologia si basa sull’uso di segnali neurali minuscoli impercettibili che vengono migliorati attraverso il feedback sensoriale artificiale, che viene rinviato all’individuo. Questo metodo comporta un notevole aumento della funzione motoria.
Patrick Ganzer è il primo autore e uno dei principali ricercatori della Battelle.
“Stiamo prendendo eventi di tocco sub-percettivo e aumentandoli nella percezione cosciente”, afferma Ganzer. “Quando l’abbiamo fatto, abbiamo visto diversi miglioramenti funzionali. È stato un grande momento eureka quando abbiamo ripristinato per la prima volta il senso del tatto del partecipante. ”
Il partecipante
Il partecipante era un uomo di 28 anni coinvolto in un incidente alla guida nel 2010, che ha provocato una grave lesione al midollo spinale. Il partecipante, il cui nome è Ian Burkhart, è stato coinvolto in un progetto chiamato NeuroLife dal 2014 al fine di ripristinare la funzionalità del braccio destro.
Il dispositivo di recente sviluppo utilizza un sistema di elettrodi posizionati sulla pelle e un piccolo chip di computer impiantato nella corteccia motoria. Esistono fili che indirizzano i segnali di movimento dal cervello ai muscoli, consentendo di bypassare la lesione del midollo spinale. Con il dispositivo, Burkhart è in grado di controllare il braccio e completare azioni come sollevare una tazza di caffè, scorrere una carta di credito e giocare ai videogiochi che richiedono l’uso di mani e braccia.
“Fino ad ora, a volte Ian aveva l’impressione che la sua mano fosse estranea a causa della mancanza di feedback sensoriale”, afferma Ganzer. “Ha anche problemi a controllare la sua mano a meno che non stia osservando attentamente i suoi movimenti. Ciò richiede molta concentrazione e rende quasi impossibile il semplice multitasking come bere una bibita mentre si guarda la TV. ”
Ogni volta che i ricercatori hanno stimolato la sua pelle, non c’era sensazione, ma un segnale neurale era ancora presente nel suo cervello. Il problema era che il segnale neurale era così piccolo che non poteva essere percepito. I ricercatori sono stati in grado di aumentare il segnale in modo che il cervello fosse in grado di rispondere.
Attraverso l’uso del feedback tattile, i segnali tattili subpercettivi furono rispediti artificialmente a Burkhart, il che gli permise di percepirli.
Con il nuovo metodo, Burkhart è stato in grado di rilevare le cose esclusivamente tramite il tocco. Un altro passo avanti è stato il fatto che il sistema è il primo BCI a consentire il ripristino di movimenti e tocchi in una volta, il che fornisce un maggiore senso di controllo. Infine, il metodo consente al sistema BCI di rilevare la giusta quantità di pressione per la manipolazione di un oggetto.
Il team di ricercatori desidera creare un sistema BCI che può essere utilizzato in casa. È attualmente in fase di sviluppo un manicotto di nuova generazione, che contiene elettrodi e sensori che potrebbero essere inseriti e rimossi. Stanno anche lavorando su un sistema in grado di essere controllato da un tablet anziché da un computer.
“È stato sorprendente vedere le possibilità di informazioni sensoriali provenienti da un dispositivo che è stato originariamente creato per consentirmi di controllare la mia mano solo in una direzione”, afferma Burkhart.
ERA L’ estate del 2010 e Ian Burkhart stava ridimensionando le onde mentre nuotava nell’oceano al largo della costa della Carolina del Nord. Aveva viaggiato lì in vacanza con un gruppo di amici per rilassarsi dopo aver concluso il suo primo anno di studio di produzione video presso la Ohio University. Si preparò a tuffarsi in un’onda imminente e cadde in acqua. Burkhart era un abile nuotatore, ma l’oceano è imprevedibile. L’onda lo colpì in un banco di sabbia, e fu allora che si rese conto di non poter sentire il suo corpo.
Incapace di muoversi, Burkhart era in balia dell’oceano. I suoi amici si resero presto conto che qualcosa non andava e lo tirarono fuori dall’acqua. È stato portato in un ospedale vicino dove è stato sottoposto a un intervento di emergenza. Una volta che fu stabile, i dottori diedero a Burkhart le cattive notizie: il suo midollo spinale era stato reciso. Non poteva più camminare, il raggio di movimento delle braccia era limitato alla spalla e al bicipite e aveva quasi completamente perso il senso del tatto.
Dopo aver trascorso anni a lavorare per adattarsi alla sua nuova realtà, Burkhart si iscrisse a un programma sperimentale chiamato NeuroLife a Battelle, un’organizzazione di ricerca senza scopo di lucro in Ohio. Il piano era di impiantare un piccolo chip nel suo cervello e usarlo per migliorare la gamma di movimento delle sue braccia e ricreare artificialmente il suo senso del tatto. È stato un colpo lungo, ma Burkhart afferma che ne è valsa la pena il potenziale vantaggio. “Era molto da considerare, ma la paralisi non era qualcosa con cui ero pronto ad accontentarmi”, afferma. Ora, sei anni dopo aver iniziato lo studio, Burkhart è in grado di sentire gli oggetti e ha abbastanza controllo del braccio per distruggere Guitar Hero .
L’ interfaccia cervello-computer di Burkhart , o BCI , è stata impiantata chirurgicamente presso il Wexner Medical Center della Ohio State University nel 2014. Non molto più grande di un chicco di riso, il chip monitora i segnali elettrici dalla corteccia motoria primaria di Burkhart, la regione del cervello responsabile del volontariato movimento.
Dopo aver subito una grave lesione al midollo spinale nel 2010, Ian Burkhart si è impiantato un chip nella sua corteccia motoria che …
Dopo aver subito una grave lesione al midollo spinale nel 2010, Ian Burkhart si è impiantato un chip nella sua corteccia motoria che inoltra i segnali elettrici dal suo cervello a un computer.
Una grave lesione spinale impedisce i segnali del cervello che dicono agli arti di muoversi e il feedback sensoriale degli arti. Nel caso di Burkhart, la gravità della sua lesione ha comportato la totale disconnessione tra cervello e braccia e gambe. Ma recenti esperimenti di neuroscienza suggeriscono che in molte lesioni “complete” del midollo spinale – forse fino a metà di esse – sopravvivono alcuni frammenti di fibra spinale. “Anche quel piccolo contingente di fibre può portare a un segnale ragionevole nel cervello”, afferma Patrick Ganzer, neuroscienziato di Battelle. Tuttavia, sebbene i segnali elettrici corrispondenti al tocco e al movimento viaggino da e verso il cervello, sono troppo deboli per essere notati consapevolmente da una persona paralizzata. Non sentono nulla e il loro braccio non si muove.
Per Ganzer e i suoi colleghi di Battelle, ciò ha sollevato un’interessante possibilità. Se hai estratto quei segnali deboli dal cervello, ne hai decodificato il significato e li hai trasmessi agli arti, potresti bypassare la colonna vertebrale e ricollegare il cervello e il corpo. Ricercatori di altri gruppi hanno dimostrato che è possibile ripristinare il movimento utilizzando una mano robotica e persino inviare segnali tattili all’utente stimolando direttamente il loro cervello. Ma fare entrambe le cose contemporaneamente, e con il braccio di una persona, è rimasto sfuggente.
Il problema, afferma Ganzer, è che i segnali di contatto e movimento sono confusi nel cervello. Ogni movimento o tocco genera un segnale unico e il chip nella testa di Burkhart riceve circa 100 segnali diversi alla volta. “Stiamo separando i pensieri che si verificano quasi contemporaneamente e sono correlati ai movimenti e al tocco sub-percettivo, che è una grande sfida”, aggiunge Ganzer.
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Quando Ian Burkhart pensa a muovere la mano destra, genera segnali elettrici nel cervello che vengono elaborati da un computer e quindi inviati a una serie di elettrodi sull’avambraccio che stimolano i suoi muscoli e gli permettono di eseguire il movimento.
Per realizzarlo, Ganzer e i suoi colleghi hanno usato un’elaborata configurazione che collega il cervello di Burkhart a un computer. Il chip nella sua corteccia motoria invia segnali elettrici attraverso una porta nella parte posteriore del cranio, che viene consegnato tramite un cavo a un PC vicino. Lì, un programma software decodifica i segnali cerebrali e li separa in segnali corrispondenti ai movimenti previsti e segnali corrispondenti a un senso del tatto. I segnali che rappresentano i movimenti previsti vengono instradati verso una manica di elettrodi avvolta attorno all’avambraccio di Burkhart. I segnali tattili vengono indirizzati a una banda vibrante attorno al suo braccio.
Innanzitutto, Ganzer e i suoi colleghi si sono concentrati sul ripristino del movimento nel braccio di Burkhart senza la sensazione del tocco. Burkhart afferma che all’inizio i progressi sono stati lenti e gli ha richiesto di imparare a pensare a muovere il braccio per generare segnali elettrici che potrebbero essere rilevati dal computer. “Essere in grado di aprire e chiudere la mia mano è stato una sfida, perché prima del mio infortunio non ho mai dovuto pensare a cosa sto effettivamente facendo per far muovere la mano”, ricorda.
Ma nel giro di un anno aveva parzialmente ripristinato il movimento in mano. Non passò molto tempo prima che avesse abbastanza controllo sul suo braccio per suonare una versione modificata di Guitar Hero , una che richiedeva premere i pulsanti delle dita sul collo della chitarra, ma non strimpellare con l’altra mano. “Giocare a un videogioco che richiede quel tipo di multitasking – ascoltare la canzone, guardare lo schermo alla ricerca di segnali temporali ed eseguire pensieri relativi ai movimenti di un solo dito – aggiunge un altro livello di complessità”, afferma Ganzer.
Burkhart afferma che avere la capacità di spostare gli oggetti era “fantastico”, ma era limitato senza un senso del tatto. Senza questo feedback, afferrare oggetti ha richiesto tutta la sua attenzione. A meno che non lo stesse guardando, non poteva dire se avesse in mano qualcosa o no. “È davvero stimolante, soprattutto se voglio prendere qualcosa che è dietro di me o in una borsa”, afferma Burkhart. Anche quando riusciva a vedere l’oggetto, la fermezza della sua presa era fuori dal suo controllo, il che rendeva difficile maneggiare oggetti delicati.
L’aggiunta di un senso del tatto nel sistema si è rivelata più difficile. I neuroscienziati hanno riprodotto con successo la sensazione di tocco nelle persone quadrepeligiche trasmettendo i dati dai sensori in una mano protesica robotizzata a un chip nel cervello dell’utente. Il problema era che il BCI di Burkhart non era progettato per quel tipo di input. Non si trovava nemmeno nel posto giusto. Il tocco è registrato nella corteccia somatosensoriale, che si trova dietro la corteccia motoria, dove è stato installato il chip. Tuttavia Ganzer afferma che la corteccia somatosensoriale può essere un “vicino rumoroso” e alcuni dei suoi segnali sono stati rilevati dal chip. Era solo una questione di scoprire cosa volessero dire.
Per stuzzicare i segnali unici corrispondenti al tocco, Ganzer e i suoi colleghi hanno iniziato a fare stimolazioni mirate sul pollice e sull’avambraccio di Burkhart, parti dell’arto in cui aveva ancora un debole senso del tatto. Osservando come i segnali cerebrali di Burkhart sono cambiati quando è stata applicata pressione alle dita e alla mano, sono stati in grado di identificare i segnali di tocco deboli su uno sfondo di segnali di movimento molto più forti. Ciò significava che un programma per computer poteva dividere i segnali provenienti dal BCI di Burkhart in modo che i segnali di movimento andassero agli elettrodi attorno all’avambraccio e toccassero i segnali con una fascia da braccio sul bicipite superiore.
La parte superiore del braccio di Burkhart era anche una delle poche parti del suo corpo che aveva ancora sensazione dopo l’incidente. Ciò significava che i deboli segnali di pressione trasmessi dalla sua mano al suo cervello potevano essere convertiti in vibrazioni che gli avrebbero fatto sapere che stava toccando un oggetto. Durante i test con la fascia da braccio, Burkhart poteva dire quando stava toccando un oggetto con una precisione quasi perfetta, anche se non riusciva a vederlo.
Inizialmente, la banda tattile Battelle era un semplice dispositivo di vibrazione on-off. Ma Ganzer e i suoi colleghi lo hanno ulteriormente perfezionato in modo che cambi la sua vibrazione in base alla forza o alla morbidezza di Burkhart che afferra un oggetto. È simile al modo in cui i controller dei videogiochi e i telefoni cellulari forniscono feedback agli utenti, ma Burkhart afferma che ci è voluto un po ‘per abituarsi: “È decisamente strano. Non è ancora normale, ma è decisamente molto meglio che non avere alcuna informazione sensoriale che ritorni nel mio corpo. “
Robert Gaunt, un ingegnere biomedico presso il Rehab Neural Engineering Labs dell’Università di Pittsburgh, ha contrastato il sistema di Battelle con l’approccio in fase di sviluppo nel suo laboratorio, dove un BCI controlla un arto robotico e sensori su quell’arto segnali di ritorno che stimolano il cervello a ricreare artificialmente un senso del tatto nella mano di una persona. “Quello che stanno facendo è un po ‘più simile alla sostituzione sensoriale, piuttosto che ripristinare il tocco nella propria mano”, dice Gaunt. “Tutti abbiamo l’obiettivo di sviluppare dispositivi che migliorino la vita delle persone con lesioni del midollo spinale, ma il modo più efficace per farlo è del tutto poco chiaro a questo punto.”
Ora che Ganzer e i suoi colleghi hanno dimostrato la tecnologia in laboratorio, afferma che il prossimo passo è migliorare il sistema per l’uso quotidiano. Il team ha già ridotto i componenti elettronici utilizzati nel sistema in una scatola delle dimensioni del nastro VHS che può essere montato sulla sedia a rotelle di Burkhart. Anche il voluminoso sistema di elettrodi è stato ridotto a un manicotto che è relativamente facile da indossare e rimandare. Di recente, Burkhart ha usato il sistema per la prima volta a casa, controllandolo tramite un tablet.
Data la natura invasiva dei BCI, che devono essere impiantati chirurgicamente, potrebbe passare un po ‘di tempo prima che questo tipo di sistemi veda un uso diffuso tra i quadriplegici. I BCI non invasivi che non richiedono un intervento chirurgico sono un’area di ricerca attiva, ma sono ancora molto presto per la tecnologia. Ganzer sta lavorando a un progetto finanziato da Darpa per sviluppare un BCI che utilizza un tipo speciale di nanoparticelle per inviare in modalità wireless segnali da e verso il cervello. Ma nessuna di questa tecnologia sarebbe possibile senza persone come Burkhart che si offrono volontarie per mostrare ciò che è possibile.
“Il mio obiettivo è quello di mettere questo nelle mani di altre persone con paralisi e vedere fino a che punto possiamo spingere la tecnologia”, afferma Burkhart. “La cosa più grande che mi ha motivato è questa speranza per il futuro.”
