Interfacce cervello-macchina (BMI) può leggere l’attività cerebrale e tradurre tale attività per controllare un dispositivo elettronico come un braccio protesico o il cursore di un computer. Promettono di consentire alle persone paralizzate di muovere le protesi con il pensiero.
Gli ultrasuoni vengono utilizzati per visualizzare fogli bidimensionali del cervello, che possono poi essere impilati insieme per creare un’immagine 3D. Credito immagine: per gentile concessione di W. Griggs
Molti BMI richiedono interventi chirurgici invasivi per impiantare elettrodi nel cervello per leggere l’attività neurale. Tuttavia, dentro 2021i ricercatori del Caltech hanno sviluppato un modo per leggere l’attività cerebrale utilizzando gli ultrasuoni funzionali (fUS), una tecnica molto meno invasiva.
Ora, un nuovo studio è una prova del fatto che la tecnologia fUS può essere la base per un BMI “online”, in grado di leggere l’attività cerebrale, decifrarne il significato con decodificatori programmati con l’apprendimento automatico e di conseguenza controllare un computer in grado di controllare con precisione prevedere il movimento con un tempo di ritardo minimo.
Lo studio è stato condotto nei laboratori Caltech di Riccardo AndersenJames G. Boswell Professore di Neuroscienze e direttore e presidente della leadership dell’ Centro di interfaccia cervello-macchina T&C Chen; E Michail ShapiroMax Delbrück Professore di Ingegneria Chimica e Ingegneria Medica e Ricercatore dell’Howard Hughes Medical Institute.
Il lavoro è stato una collaborazione con il laboratorio di Mickael Tanter, direttore della fisica per la medicina presso l’INSERM di Parigi, Francia.
“Gli ultrasuoni funzionali sono una modalità completamente nuova da aggiungere alla cassetta degli attrezzi delle interfacce cervello-macchina che possono assistere le persone con paralisi”, afferma Andersen. “Offre opzioni interessanti per essere meno invasivo rispetto agli impianti cerebrali e non richiede una ricalibrazione costante. Questa tecnologia è stata sviluppata come uno sforzo collaborativo che un laboratorio non potrebbe realizzare da solo”.
“In generale, tutti gli strumenti per misurare l’attività cerebrale presentano vantaggi e svantaggi”, afferma Sumner Norman, ex ricercatore associato post-dottorato presso Caltech e co-primo autore.
“Mentre gli elettrodi possono misurare in modo molto preciso l’attività di singoli neuroni, richiedono l’impianto nel cervello stesso e sono difficili da estendere a più di poche piccole regioni del cervello. Anche le tecniche non invasive comportano dei compromessi. Risonanza magnetica funzionale [fMRI] fornisce l’accesso all’intero cervello ma è limitato da sensibilità e risoluzione limitate. Metodi portatili, come l’elettroencefalografia [EEG]sono ostacolati dalla scarsa qualità del segnale e dall’incapacità di localizzare le funzioni cerebrali profonde”.
L’imaging a ultrasuoni funziona emettendo impulsi di suono ad alta frequenza e misurando il modo in cui tali vibrazioni sonore risuonano in una sostanza, come vari tessuti del corpo umano.
Le onde sonore viaggiano a velocità diverse attraverso questi tipi di tessuti e si riflettono ai confini tra loro. Questa tecnica è comunemente usata per scattare immagini di un feto nell’uteroe per altre immagini diagnostiche.
Un modello 3D del cervello – foto illustrativa. Credito immagine: Lisa Yount tramite Unsplash, licenza gratuita
Poiché il cranio stesso non è permeabile alle onde sonore, gli ultrasuoni per l’imaging cerebrale richiedono l’installazione di una “finestra” trasparente nel cranio. “È importante sottolineare che la tecnologia a ultrasuoni non ha bisogno di essere impiantata nel cervello stesso”, afferma Whitney Griggs (PhD ’23), uno dei primi autori dello studio.
“Ciò riduce significativamente la possibilità di infezione e lascia il tessuto cerebrale e la sua dura protettiva perfettamente intatti.”
“Man mano che l’attività dei neuroni cambia, cambia anche il loro utilizzo di risorse metaboliche come l’ossigeno”, afferma Norman. “Tali risorse vengono rifornite attraverso il flusso sanguigno, che è la chiave per gli ultrasuoni funzionali.”
In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato gli ultrasuoni per misurare i cambiamenti nel flusso sanguigno in specifiche regioni del cervello. Allo stesso modo in cui il suono della sirena di un’ambulanza cambia tono man mano che si avvicina e poi si allontana da te, i globuli rossi aumenteranno il tono delle onde ultrasoniche riflesse mentre si avvicinano alla sorgente e diminuiranno il tono mentre si allontanano. .
La misurazione di questo fenomeno dell’effetto Doppler ha permesso ai ricercatori di registrare piccoli cambiamenti nel flusso sanguigno del cervello fino a regioni spaziali larghe appena 100 micrometri, circa la larghezza di un capello umano. Ciò ha permesso loro di misurare simultaneamente l’attività di minuscole popolazioni neurali, alcune piccole fino a soli 60 neuroni, ampiamente in tutto il cervello.
I ricercatori hanno utilizzato gli ultrasuoni funzionali per misurare l’attività cerebrale della corteccia parietale posteriore (PPC) dei primati non umani. Questa regione governa la pianificazione degli spostamenti e contribuisce alla loro esecuzione. Il laboratorio Andersen ha studiato la regione per decenni utilizzando altre tecniche.
Agli animali sono stati insegnati due compiti, richiedendo loro di pianificare di muovere la mano per dirigere un cursore su uno schermo, oppure di pianificare di muovere gli occhi per guardare una parte specifica dello schermo. Ne avevano solo bisogno pensare sull’esecuzione dell’attività, senza muovere effettivamente gli occhi o le mani, poiché il BMI legge l’attività di pianificazione nel proprio PPC.
“Ricordo quanto fosse impressionante quando questo tipo di decodifica predittiva funzionava con gli elettrodi due decenni fa, ed è sorprendente ora vederlo funzionare con un metodo molto meno invasivo come gli ultrasuoni”, afferma Shapiro.
I dati degli ultrasuoni sono stati inviati in tempo reale a un decodificatore (precedentemente addestrato a decodificare il significato di tali dati utilizzando l’apprendimento automatico) e successivamente hanno generato segnali di controllo per spostare un cursore nel punto in cui l’animale intendeva che andasse. Il BMI è riuscito a raggiungere otto bersagli radiali con errori medi inferiori a 40 gradi.
“Significativamente, la tecnica non richiede la ricalibrazione del BMI ogni giorno, a differenza di altri BMI”, afferma Griggs. “Per analogia, immagina di dover ricalibrare il mouse del tuo computer fino a 15 minuti al giorno prima dell’uso.”
Successivamente, il team prevede di studiare come si comportano gli indici di massa corporea basati sulla tecnologia a ultrasuoni negli esseri umani e di sviluppare ulteriormente la tecnologia fUS per consentire l’imaging tridimensionale per una maggiore precisione.
Scritto da Lori Dajose
Fonte: Caltech
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
