Caratteristiche, funzionamento e componenti delle Brain-Computer Interface (BCI)
Cosa sono le Brain-Computer Interface (BCI)?
Negli ultimi vent’anni, molti campi scientifici sono stati rivoluzionati da importanti innovazioni che hanno inevitabilmente dato vita ad una nuova e promettente stagione nel campo della ricerca medica. Particolare influenza hanno avuto quegli ambiti della ricerca che si avvalgono di conoscenze multidisciplinari, che giovano dalla collaborazione tra i vari settori di ricerca, come medicina, informatica e ingegneria.
L’unione di queste conoscenze ha permesso infatti di sviluppare le Brain-Computer Interface (BCI), strumento ingegneristico finalizzato al miglioramento della condizione di pazienti affetti da disturbi motori e cognitivi.
Un’Interfaccia Computer Cervello (BCI) è un sistema di comunicazione che permette l’interazione tra un individuo e l’ambiente circostante, senza il coinvolgimento dei processi motori ordinari, ma sfruttando direttamente segnali di controllo generati dall’attività elettroencefalografica.
Si crea così una via di output che non passa attraverso l’attivazione muscolare (canale non muscolare) in grado di trasmettere le intenzioni dell’individuo a device esterni come computer, protesi neurali, sintetizzatori vocali e altri tipi di tecnologie assistive.
Una BCI fornisce quindi al suo utilizzatore una via alternativa per agire e interagire col mondo esterno.
Nel passato tecnologie di questo tipo non sono state accattivanti per i ricercatori, in quanto l’idea di poter “decifrare” i pensieri o le intenzioni per mezzo dell’attività cerebrale è sempre stata vista come strana e remota.
La progettazione di BCI era considerata troppo complessa, a causa della limitata risoluzione e ridotta affidabilità delle informazioni rilevabili dall’attività elettrica cerebrale e a causa della loro alta variabilità. Inoltre, i sistemi BCI richiedono un’elaborazione del segnale in tempo reale, e fino a poco tempo fa la tecnologia richiesta non esisteva o era estremamente costosa.
Tuttavia, questo contesto ha subito cambiamenti radicali negli ultimi due decenni. La ricerca BCI, che era limitata a soli 3 gruppi 20 anni fa e solo a 6-8 gruppi 10 anni fa, è ora un campo fiorente con più di 100 gruppi di ricerca attivi in tutto il mondo. Il numero di articoli pubblicati riguardanti questa tecnologia è aumentato esponenzialmente nell’ultimo decennio. Lo sviluppo di tecnologie hardware e software sempre più economiche ha permesso analisi in tempo reale più sofisticate. Allo stesso modo, la possibilità di utilizzare le BCI come tecnologia ausiliaria per individui gravemente disabili ha aumentato l’accettazione sociale di queste interfacce neurali, e la necessità di accelerarne gli sviluppi.
Tuttavia, nonostante questi progressi, la maggior parte delle applicazioni BCI è ancora limitata al laboratorio. Per potere espandere le applicazioni è richiesta una maggiore facilità di utilizzo, ovvero una riduzione dei tempi di preparazione e calibrazione. Inoltre, essendo un campo multidisciplinare, deve ancora emergere un linguaggio comune utilizzabile tra i vari ricercatori: ciò senza dubbio rallenta l’avanzamento della ricerca.
Componenti di una BCI
Una BCI è uno strumento multicomponente che misura segnali cerebrali per decodificare le intenzioni dell’utente.
Le tre componenti base di una BCI sono la parte di acquisizione del segnale (signal acquisition), di elaborazione del segnale (signal processing) e lo strumento di output (output device).
Questa descrizione è una visione semplificata in quanto ciascuno di questi componenti include altri meccanismi e operazioni.
La componente di acquisizione del segnale ha l’obbiettivo di registrare il segnale generato dal cervello. Nella maggior parte delle BCI, l’input è l’EEG registrato mediante elettrodi posti sullo scalpo o l’attività neuronale registrata mediante elettrodi a contatto diretto con il tessuto cerebrale. Nella parte di acquisizione del segnale della BCI, l’ingresso scelto viene acquisito dagli elettrodi di registrazione, amplificato e digitalizzato.
La componente di signal processing è costituita dalla parte di estrazione e selezione delle features (features extraction and selection) e dall’algoritmo di traduzione detto anche algoritmo di classificazione (translation algorithm).
Per quanto riguarda lo strumento di output, nella maggior parte delle BCI attuali esso è lo schermo di un computer e l’output è la selezione di target, lettere o icone presentate su di esso. La selezione dei target è indicata in vari modi (per esempio le lettere si illuminano). Alcune BCI forniscono anche output provvisori aggiuntivi, come il movimento del cursore verso il target prima della sua selezione. L’output, oltre ad essere il prodotto finale di un’operazione BCI, costituisce un input in retroazione (feedback) al cervello sfruttato per mantenere e migliorare l’accuratezza e la velocità della comunicazione.
Studi più recenti stanno esplorando il controllo di neuroprotesi o ortesi che permettono movimenti di chiusura della mano in soggetti affetti da lesioni del midollo cervicale. In questa potenziale applicazione, lo strumento di output è la mano dell’utente.
