Collegami: la fisica delle interfacce cervello-computer – Physics World

Il cervello umano è un macchinario sorprendente e complesso. Con oltre 80 miliardi di neuroni nella corteccia cerebrale umana, ciascuno con un migliaio di sinapsi, il nostro cervello elabora circa 100 megabit di informazioni al secondo. Immaginate quindi di provare a misurare, estrarre e interpretare tutti i segnali del nostro cervello in tempo reale, alla velocità del pensiero. Attingere al cervello una volta potrebbe essere stato esclusivamente nei regni di fantascienza – da X-Men a La matrice – ma oggi è effettivamente possibile collegare il proprio cervello a un computer e controllare un braccio robotico, ad esempio, o tradurre i propri pensieri in testo.

Un'interfaccia cervello-computer (BCI) funziona come un ponte tra il cervello e un dispositivo esterno, in genere un computer. Le BCI raccolgono, analizzano e traducono i segnali elettrici del cervello in comandi che possono essere compresi ed eseguiti da un computer. Possono anche applicare segnali esterni per modulare il cervello. Grazie a una combinazione di neuroscienze, biomedicina, fisica e tecnologia, le BCI possono cambiare la vita delle persone affette da gravi condizioni mediche. Hanno anche applicazioni nella robotica, nelle neuroscienze, nella tecnologia, nei giochi e nell’informatica.

Negli ultimi 25 anni, le BCI hanno consentito alle persone paralizzate di farlo utilizzare i computer solo con il pensiero. Loro hanno discorso ripristinato dopo che è stato perso a causa di un ictus; hanno permesso a quelli con mancanti o arti paralizzati affinché funzionino di nuovo o li ha aiutati a farlo azionare bracci robotici e mani. Le BCI lo hanno epilessia diagnosticata e altre condizioni neurologiche e le hanno mitigate per decine di migliaia di persone. Si sono persino mostrati promettenti restituire la vista ai ciechi.

Ma la maggior parte di questi esempi richiedono un intervento chirurgico al cervello, in cui gli elettrodi vengono posizionati sopra o nello strato superficiale del cervello (la corteccia) e potenzialmente anche più in profondità, il che è rischioso in quanto potrebbe provocare emorragie o infezioni. Un altro problema è che i ricercatori attualmente non hanno un’idea chiara dell’impatto e del potenziale danno che gli elettrodi impiantati potrebbero infliggere al tessuto cerebrale, e non sanno nemmeno quanto tempo potrebbero durare. Tutto ciò significa che gli impianti elettrici nel loro stato attuale non possono aiutare in modo sicuro e affidabile i milioni di persone che ne trarrebbero beneficio. In effetti, gli impianti umani vengono effettuati solo quando tutti gli altri trattamenti falliscono, o su base sperimentale – per circa 50 individui in tutto il mondo con gravi limitazioni come la paralisi – dove la possibilità di migliorare una scarsa qualità della vita supera i pericoli.

Fortunatamente, le soluzioni ad alcuni di questi problemi potrebbero risiedere nei principi e nei metodi fisici, che potrebbero rendere questi dispositivi più sicuri, più durevoli e più ampiamente disponibili. La fisica potrebbe anche essere utilizzata per migliorare i metodi e i materiali di impianto della BCI. Ancora più cruciale, tuttavia, è la necessità di eliminare o ridurre al minimo la chirurgia cerebrale fornendo modi per interagire con il cervello tramite luce, campi magnetici o ultrasuoni. Le BCI non invasive, wireless, portatili o indossabili potrebbero migliorare la ricerca sul cervello e le cure mediche, oltre ad essere utilizzate anche nella vita quotidiana.

Interagisci con un pensiero

Dall'antichità fino al XIX secolo, medici e sperimentatori, spesso inconsapevolmente, eseguirono vari esperimenti rudimentali in cui cercarono di modificare l'attività elettrica del cervello per trattamenti medici. Nel 19 questi sforzi divennero rigorosi quando lo psichiatra tedesco Hans Berger registrò l'attività elettrica del cervello utilizzando elettrodi posizionati sul cranio di un paziente, inventando così la tecnica dell'elettroencefalografia (EEG). Negli anni '1924 il fisico e informatico Jacques Vidal dimostrò il controllo del pensiero su un dispositivo esterno, mentre soggetti umani dotati di contatti EEG spostavano mentalmente un cursore visualizzato sullo schermo di un computer.

L’EEG rimane un prezioso strumento non invasivo per diagnosticare condizioni come l’epilessia, permettendoci di determinare la causa e il tipo di convulsioni di cui un paziente potrebbe soffrire, nonché di indagare su altre condizioni come demenza, tumori cerebrali e commozioni cerebrali. Ma un EEG campiona grandi gruppi di neuroni e il rapporto segnale-rumore è scarso, rendendo difficile correlare i segnali con specifiche attività cerebrali.

Gli elettrodi impiantati, invece, campionano direttamente i neuroni selezionati. Ciò è stato dimostrato sperimentalmente nel 1998, quando il neurologo di Atlanta Philip Kennedy ha posizionato degli elettrodi progettati su misura nel cervello di un paziente soprannominato “JR”, che era rimasto “bloccato” da un ictus (IEEE Trans. Riabilitazione. L'Ing. 8 198). Lo sfortunato paziente era in possesso di tutte le sue capacità cognitive, ma non era in grado di muoversi né di parlare. Alla fine, JR ha imparato a comunicare controllando mentalmente il cursore di un computer per scrivere le parole.

Ora molti ricercatori e medici utilizzano un array di elettrodi impiantato, noto come "Utah Array" di Blackrock Neurotech. Questo prodotto in silicio su misura è una serie di 100 p-elettrodi di silicio (in una configurazione 10 × 10), distanziati di 400 µm l'uno dall'altro su un substrato isolante 4 × 4 mm, all'incirca delle dimensioni di un granello di pepe. Gli elettrodi, lunghi da 0.5 a 1.5 mm, hanno la punta con ossido di platino o iridio. Circa 30 persone in tutto il mondo, che soffrono di diversi sintomi di paralisi, sono state dotate di questi dispositivi. Ad esempio, nel 2015 sono stati impiantati quattro array Nathan Copland, rimasto paralizzato dal petto in giù dopo un incidente stradale nel 2004. Gli impianti gli permettono di controllare un computer, giocare ai videogiochi e controllare un braccio robotico, con il pensiero. Al momento in cui scrivo, Copeland è il paziente con un simile impianto da più tempo, ma le implicazioni a lungo termine di questa tecnologia invasiva non sono completamente comprese.

Ridurre l'invasività

Il problema con un elettrodo o qualsiasi altro impianto artificiale nel cervello è che può innescare una risposta immunitaria, che infiamma e cicatrizza i tessuti vicini. Ciò è aggravato dalla mancata corrispondenza meccanica tra un elettrodo rigido e i tessuti molli del cervello, che a sua volta può anche ridurre le prestazioni dell’elettrodo.

Trovare materiali durevoli e biocompatibili con proprietà elettriche adeguate per elettrodi e substrati è una sfida per la fisica e la scienza dei materiali

Ma trovare materiali durevoli e biocompatibili con proprietà elettriche adeguate per elettrodi e substrati è una sfida per la fisica e la scienza dei materiali. I candidati promettenti includono polimeri conduttori morbidi e flessibili, nonché conduttori elettrici estremamente sottili come nanotubi di carbonio e nanofili di silicio (per un altro approccio, vedere il riquadro sotto).

I ricercatori stanno anche lavorando per ridurre i rischi chirurgici, adattando le tecnologie mediche esistenti. Gli stent, minuscoli cilindri cavi, vengono comunemente utilizzati per tenere aperti vari tipi di vasi nel corpo. In un uso comune, mantengono aperte le arterie coronarie e sono considerati minimamente invasivi. La società neurotecnologica Synchron ha sviluppato gli “stentrodi” (array di registrazione stent-elettrodo). Sono elettrodi montati su uno stent impiantato permanentemente in un vaso sanguigno nel cervello. Possono rilevare i segnali cerebrali e inviarli in modalità wireless a un computer. Negli studi sull'uomo, gli stentrodi hanno consentito a soggetti paralizzati di utilizzare i computer (J. NeuroIntervento. Surg. 13 102).

Utilizzando un approccio diverso, l'azienda statunitense Neuralink ha annunciato nel 2019 di aver sviluppato una BCI che sarebbe stata impiantata a filo del cranio da un robot chirurgico, che avrebbe anche posizionato 1024 o più elettrodi flessibili nel cervello (J. Med. Internet Ris. 21 e16194). Neuralink, che è stata co-fondata da Elon Musk, da allora non ha pubblicato ulteriori dettagli, ma dopo la recente approvazione da parte della Food and Drug Administration (FDA) statunitense per la sperimentazione umana, potrebbero essere disponibili ulteriori informazioni. In qualunque forma, le BCI basate su elettrodi continueranno ad essere importanti a causa della loro elevata risoluzione spaziale e risposta rapida, ma anche gli approcci non invasivi si stanno rapidamente sviluppando.

I fotoni sondano il cervello

Nello spettro elettromagnetico, la luce del vicino infrarosso (NIR), che va da 700 a 1400 nm, può attraversare cranio e penetrano nel cervello a pochi centimetri di profondità, senza causare danni, purché la densità di potenza sia mantenuta a milliwatt per centimetro quadrato. Un metodo NIR non invasivo chiamato “fotobiomodulazione” ha dimostrato di poter stimolare il cervello. Ad esempio, in uno studio clinico nel 2021, i pazienti affetti da demenza sono stati ripetutamente esposti a LED che emettevano luce a 1060-1080 nm. Questo gruppo ha mostrato notevoli miglioramenti nella funzione cognitiva e nell’umore soggettivo rispetto a un gruppo di controllo (Invecchiamento Dis. 12 954). Si ritiene che la luce migliori la funzione cellulare o riduca l’infiammazione, ma sono necessarie ulteriori ricerche per stabilire l’esatto meccanismo.

Un secondo metodo non invasivo, noto come “spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso” (fNIRS), utilizza la luce NIR per misurare le variazioni della luce assorbita dall’emoglobina nel sangue circolante nel cervello. La tecnica può mappare l'attività cerebrale perché l'emoglobina deossigenata assorbe la luce NIR in modo diverso dalla forma ossigenata, HbO₂. I neuroni attivi necessitano di un aumento del flusso di HbO₂-sangue arricchito, che consente di rilevare la funzione cerebrale. Al cranio vengono applicate due lunghezze d'onda e una misurazione delle loro diverse attenuazioni in siti specifici può mostrare quali aree sono attive. fNIRS è stato utilizzato in clinica, con la società neurotecnologica statunitense Kernel che ha sviluppato una versione con auricolare indossabile. Copre il cranio con 52 moduli, ciascuno con sorgenti laser che emettono a 690 nm e 850 nm e un rilevatore (J.Biomed. Optare. 27 074710). Nel 2021 la FDA ha approvato il dispositivo per testare la risposta del cervello a una droga psichedelica.

Sebbene siano necessari pochi secondi perché il flusso sanguigno ossigenato si sviluppi – rendendo l’fNIRS troppo lento per controllare un dispositivo esterno – fornisce una risoluzione spaziale più elevata e un migliore rapporto segnale-rumore rispetto all’EEG, il che significa che può individuare l’attività cerebrale in modo più accurato. Un visore fNIRS potrebbe misurare l’attività cerebrale anche in un soggetto in libero movimento, rendendo possibile mappare il cervello e diagnosticare condizioni neurali in condizioni variabili.

Risposte più rapide possono essere ottenute con un altro metodo – noto come “segnale ottico correlato agli eventi” (EROS) – che utilizza la luce infrarossa per misurare i cambiamenti nelle proprietà ottiche del tessuto cerebrale corticale. L'interazione della luce con il tessuto neurale cambia quando i neuroni sono attivi perché ciò aumenta la diffusione ottica, allungando i percorsi dei fotoni che attraversano il cervello e ritardando il loro arrivo a un rilevatore.

Nei primi esperimenti su soggetti umani, la luce NIR applicata attraverso fibre ottiche penetrava nel cranio e veniva rilevata a breve distanza, con un ritardo di 0.1 s o meno dopo che i neuroni erano stati eccitati. Ulteriore lavoro è stato limitato perché queste misurazioni sono tecnicamente impegnative, ma risultati recenti suggeriscono che EROS combinato con fNIRS potrebbe costituire la base per BCI non invasivi con una buona risoluzione spaziale e temporale.

Il cervello magnetico

Ancora un altro metodo non invasivo consolidato per tracciare l'attività neurale del cervello è la “risonanza magnetica funzionale” (fMRI). La risonanza magnetica standard rileva il comportamento dei protoni nell'acqua e nel grasso corporeo, all'interno di un forte campo magnetico, per visualizzare le strutture corporee. fMRI invece rileva i segnali provenienti dal flusso sanguigno nel cervello che, come accennato, dipendono dal livello di ossigenazione dell’emoglobina. Come la fNIRS, questa consente alla fMRI di etichettare le regioni di attività neurale ma con una risoluzione spaziale di 1 mm anziché 1 cm. Il ritardo di pochi secondi consente la mappatura quasi in tempo reale, ma è ancora troppo lento per il controllo cerebrale di dispositivi esterni. La fMRI richiede anche un'installazione grande e costosa con un magnete superconduttore.

Tempi di risposta più rapidi si ottengono con la “magnetoencefalografia” (MEG) non invasiva, che traccia l’attività neurale rilevando la femtotesla (10^-15 tesla) campi magnetici generati dal flusso di correnti ioniche tra i neuroni attivi. Questi campi vengono misurati da sensibili dispositivi superconduttori di interferenza quantistica (SQUID) posizionati vicino al cuoio capelluto, all’interno di una stanza schermata per prevenire interferenze magnetiche. MEG fornisce una risoluzione spaziale di 1–2 mm e un tempo di risposta di millisecondi, ma richiede un dispositivo ingombrante con costi operativi elevati.

Un nuovo tipo di rilevatore, il “magnetometro a pompaggio ottico” (OPM), migliora il MEG misurando il campo magnetico del cervello a temperatura ambiente. L'OPM utilizza una piccola cella riempita con vapore di atomi alcalini. Un diodo laser sintonizzato su una specifica transizione quantistica pompa otticamente il vapore, che allinea i momenti magnetici atomici. Questa magnetizzazione interagisce con il campo magnetico del cervello per modificare l'opacità del vapore determinata da un rilevatore, che rende possibile misurare il campo magnetico.

La fisica quantistica dà una spinta agli scanner MEG per il rilevamento del cervello

All'inizio di quest'anno, azienda con sede nel Regno Unito Cerca Magnetici ha vinto un premio per l'innovazione quantistica per il suo sviluppo Scanner cerebrale indossabile OPM-MEG. Questo comprende 50 unità LEGO delle dimensioni di un blocco montate su un casco a testa intera per coprire il cervello. Il prototipo indossabile OPM-MEG BCI consente la diagnosi neurale mentre il soggetto si muove. Con le sue elevate risoluzioni spaziali e temporali, potrebbe eventualmente controllare dispositivi esterni.

Ascoltare il cervello

La tecnologia a ultrasuoni è ampiamente utilizzata come metodo portatile non invasivo per visualizzare le strutture corporee, compresi i globuli rossi, poiché riflettono le onde sonore ad alta frequenza. Nell'ultimo decennio, la tecnologia si è sviluppata al punto che gli “ultrasuoni funzionali veloci” (fUS) possono utilizzare le misurazioni Doppler del flusso sanguigno cerebrale per identificare i neuroni attivi. Nel fUS, le sonde generano onde piane ultrasoniche e raccolgono dati su centinaia di canali. Un computer quindi focalizza sinteticamente le onde e analizza i dati per produrre rapidamente immagini ad alta risoluzione delle funzioni cerebrali. Studi su primati non umani mostrano che la fUS che opera attraverso una porta minimamente invasiva nel cranio potrebbe supportare una BCI che traccia gli impulsi neurali che rappresentano il movimento corporeo (Neuroscienze 474 110).

Gli ultrasuoni servono anche nella stimolazione ultrasonica transcranica (TUS), un metodo per modulare il comportamento neurale che può essere mirato a pochi millimetri cubi all'interno del cervello. Dopo approfonditi studi sugli animali, alcuni studi sull'uomo suggeriscono che la TUS può trattare disturbi neurologici o problemi psichiatrici come dolore e depressione.

Il futuro delle BCI non invasive

A complemento e forse un giorno a sostituire gli impianti, altri metodi fisici possono accedere al cervello con una invasività minima, consentendo un uso medico più sicuro, economico e più ampio delle BCI. Andrew Jackson, un fisico diventato neuroscienziato dell'Università di Newcastle, nel Regno Unito, afferma che, quando si tratta di registrare il cervello, la tecnologia più interessante al momento è l'OPM-MEG indossabile. "Anche la fisica è interessante!" aggiunge, sottolineando il valore degli ultrasuoni per la stimolazione cerebrale. Jackson avverte, tuttavia, che nessuna di queste tecnologie non invasive ha ancora la risoluzione spaziale che si può ottenere con gli impianti. Resta ancora molto da fare per l’uso clinico, e forse anche oltre.

Se le BCI non invasive eliminassero il rischio chirurgico, gli individui sani potrebbero essere motivati ​​a usarle per un miglioramento mentale reale o percepito. Il noto neuroscienziato Kristof Koch ha raccontato quanto sarebbe “fantastico” avere una BCI sicura che colleghi il cervello ai computer in modo che le persone possano scaricare le informazioni direttamente nel loro cervello.

Nel 2021 start-up a San Francisco Portale Mentale ha raccolto 5 milioni di dollari per sviluppare una fascia per il controllo mentale di un gioco di realtà virtuale. Utilizza una tecnologia proprietaria, forse un metodo NIR veloce. In un'altra applicazione, i dispositivi di stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) sono facilmente disponibili a prezzi modesti. Questi applicano correnti elettriche milliampere al cranio che presumibilmente migliorano la cognizione.

Vedendo l’ascesa della neurotecnologia di consumo, gli studiosi di neuroetica sottolineano i danni che potrebbero derivare senza una supervisione e una regolamentazione efficaci, che dovrebbero anche considerare questioni come la privacy e il controllo mentale. Nello sviluppo di BCI non invasive, i ricercatori stanno facendo enormi progressi nella ricerca e nel trattamento del cervello, contribuendo a ripristinare l’indipendenza di individui gravemente disabili. Allo stesso tempo, i ricercatori dovrebbero essere consapevoli dei numerosi dilemmi etici che questi dispositivi sollevano, al di là del laboratorio e della clinica.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/plug-me-in-the-physics-of-brain-computer-interfaces/