Le interfacce cervello-computer (BCI) rappresentano una tecnologia che permette la comunicazione diretta tra il cervello umano e dispositivi esterni, offrendo agli utenti la possibilità di controllare tali dispositivi tramite l’attività neurale. Queste interfacce hanno assunto particolare importanza in ambito clinico, offrendo soluzioni trasformative per individui con gravi disabilità e disturbi neurologici.
Una nuova tecnologia lanciata di recente? Non proprio!
Il concetto di BCI risale a oltre cinquant’anni fa: nel 1973, l’informatico Jacques Vidal della University of California Los Angeles (UCLA), pubblicò sulla rivista “Annual Review of Biophysics and Bioengineering” il paper seminale Toward Direct Brain-Computer Communication”,” coniando per la prima volta il termine “interfaccia cervello-computer” o BCI.
Le BCI sono utilizzate per migliorare la comunicazione, la mobilità e la riabilitazione in pazienti con paralisi, ictus e disturbi dello spettro autistico. In particolare, le BCI permettono ai pazienti con sindrome da blocco (locked-in syndrome) di comunicare esprimendo pensieri e desideri attraverso la tecnologia. Inoltre, le BCI aiutano nella riabilitazione post-ictus, interpretando i segnali cerebrali per promuovere il movimento e il recupero.
Esistono due categorie principali di BCI: invasive e non invasive. Le BCI invasive, che richiedono l’impianto chirurgico di elettrodi, forniscono dati neurali ad alta risoluzione e sono state utilizzate con successo per controllare arti robotici e facilitare la comunicazione per persone con sindrome da blocco. Le BCI non invasive, che utilizzano sensori esterni come l’elettroencefalografia (EEG), sono più accessibili e vengono esplorate per applicazioni nel gaming e per il wellness, oltre che in ambito riabilitativo.
La rivista Nature Reviews in Bioengineering ha di recente analizzato i risultati di 28 studi clinici che hanno coinvolto 67 partecipanti tra il 1998 e il 2023, approfondendo nel dettaglio le opportunità di queste tecnologie innovative e allo stesso tempo i limiti e le potenziali criticità. Le BCI sono impiegate anche nella riabilitazione cognitiva, offrendo meccanismi di neurofeedback che consentono ai pazienti di allenare attività cerebrali specifiche legate a compiti cognitivi. Questo approccio è in particolare molto utile per persone con disturbi cognitivi derivanti da condizioni neurologiche.
Nonostante il potenziale, l’integrazione delle BCI nella pratica clinica solleva sfide etiche e normative, come il consenso informato, la privacy dei dati e l’impatto psicologico sugli utenti. È essenziale esplorare e gestire queste preoccupazioni per garantire un’applicazione responsabile della tecnologia e massimizzare i benefici per le diverse popolazioni. L’avanzamento della tecnologia BCI, come le tecniche non invasive, promette opzioni di trattamento più sicure ed efficaci.
Al di là delle implicazioni legate all’etica e alla privacy di cui ci occuperemo più avanti in maniera più dettagliata attraverso progetti editoriali e formativi, proviamo per il momento ad approfondire e capire nel dettaglio alcune applicazioni pratiche di queste tecnologie in ambito clinico, con alcuni esempi pratici già implementati, partendo dalla recente pubblicazione “Brain-Computer Interface Research – A state of the Art Summary 11“, parte della collana SpringerBriefs in Electrical and Computer Engineering.
La monografia è stata curata da Christoph Guger, che coordina diversi progetti di ricerca internazionali nel campo delle BCI invasive e non invasive, Brendan Allison, che è un esperto per le applicazioni BCI non invasive e lavora con le BCI da più di 20 anni e Natalie Mrachacz-Kersting, esperta di BCI per la neuroriabilitazione e la valutazione del cervello. Il libro raccoglie le specifiche tecniche e applicative dei progetti nominati per il BCI Research Award, un premio annuale organizzato dalla omonima fondazione di cui Christoph Guger e Dean Krusienski sono entrambi presidenti.
I curatori della collana pubblicano i progetti finalisti dell’Award sin dal 2013. Consultando i vari testi pubblicati, ci si può fare un’idea della rapida evoluzione delle tecnologie BCI nel corso degli ultimi anni. L’Annual BCI Research Award è aperto a ricercatori (esclusi i membri della giuria) di tutto il mondo. Diversi progetti hanno coinvolto varie combinazioni di hardware, software, algoritmi e altri componenti. I premi sono stati offerti dalla società austriaca g.tec medical engineering (di cui Christoph Guger è il CEO) e da IEEE Brain.
I criteri utilizzati dalla giuria per la valutazione sono i seguenti:
- Il progetto include una nuova applicazione della BCI?
- È stato utilizzato un nuovo approccio metodologico rispetto ai progetti precedenti?
- C’è un nuovo vantaggio per i potenziali utenti di una BCI?
- C’è un miglioramento in termini di velocità del sistema (es. bit/min)?
- C’è un miglioramento in termini di accuratezza del sistema?
- Il progetto include risultati ottenuti da pazienti reali o altri potenziali utenti?
- L’approccio utilizzato funziona online/in tempo reale?
- C’è un miglioramento in termini di usabilità?
- Il progetto include nuovi sviluppi hardware o software?
Per ogni progetto, inoltre, sono sempre specificati i limiti per un’applicazione più ampia (legati spesso a costi, complessità della configurazione e complicazioni di vario tipo).
Digital Bridge per il recupero del controllo volontario degli arti inferiori
Il Digital Bridge, di cui ha parlato anche Nature, rappresenta una rivoluzione nel campo della riabilitazione neurologica ed è stato progettato per aiutare i pazienti con lesioni al midollo spinale a recuperare il controllo volontario degli arti inferiori. Sviluppato da un team di ricerca guidato da Andrea Galvez, Guillaume Charvet, Jocelyne Bloch, Grégoire Courtine e Henri Lorach, affiliati al NeuroX Institute dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e al Lausanne University Hospital (CHUV), il dispositivo crea una connessione diretta tra il cervello e il midollo spinale, bypassando le aree danneggiate. Questo sistema si basa sull’analisi dei segnali cerebrali e la loro conversione in impulsi elettrici che stimolano i muscoli, permettendo movimenti complessi come camminare o mantenere l’equilibrio.
Uno dei principali punti di forza del Digital Bridge è la sua capacità di fornire un recupero motorio più naturale rispetto ad altre tecnologie. Il dispositivo è progettato per essere configurato rapidamente, consentendo ai pazienti di avviare la riabilitazione in tempi brevi. Inoltre, la stimolazione neurale diretta favorisce la neuroplasticità, aumentando le probabilità di recupero funzionale anche in presenza di lesioni gravi. Il supporto di fondazioni internazionali come la Defitech Foundation e la Pictet Group Charitable Foundation, insieme ai finanziamenti della Commissione Europea, ha contribuito al rapido sviluppo di questa tecnologia.
Il Digital Bridge presenta alcune limitazioni: i costi elevati legati alla ricerca, allo sviluppo e alla miniaturizzazione del dispositivo ne riducono l’accessibilità su larga scala. Sebbene i risultati sperimentali siano promettenti, sono necessari ulteriori studi clinici per confermare la sua efficacia e sicurezza a lungo termine, in particolare per quanto riguarda la stabilità delle connessioni neurali e la prevenzione di possibili effetti collaterali neurologici.
Silent-Speech BCI per persone con anartria
Il Silent-Speech BCI è un’interfaccia cervello-computer all’avanguardia, progettata per restituire la capacità di comunicare a persone affette da anartria. Sviluppato da un team della University of California, San Francisco (UCSF), tra cui spiccano Sean L. Metzger, Jessie R. Liu, David A. Moses, Maximilian E. Dougherty ed Edward F. Chang, il sistema decodifica l’attività cerebrale associata al tentativo di parlare, anche in assenza di suoni vocali. Utilizzando elettrodi per rilevare i pattern neurali e algoritmi avanzati di machine learning, il Silent-Speech BCI trasforma questi segnali in testo o output vocale sintetizzato.
Questa tecnologia ha un impatto significativo sulla qualità della vita dei pazienti che non sono in grado di parlare. La capacità di decodificare i segnali cerebrali in tempo reale consente una comunicazione rapida e personalizzata, adattabile a diverse condizioni cliniche. Il progetto, parte di uno studio clinico registrato su ClinicalTrials.gov (NCT03698149) e supportato dal Weill Institute for Neurosciences, dimostra un potenziale straordinario per migliorare l’integrazione sociale dei pazienti.
Il Silent-Speech BCI, tuttavia, richiede procedure complesse per la configurazione iniziale e una calibrazione precisa per garantire la massima accuratezza. La dipendenza da hardware avanzato e costoso limita l’accessibilità a una fascia più ampia di pazienti, e la necessità di sessioni di addestramento prolungate può rappresentare un ulteriore ostacolo, specialmente per le persone con disabilità cognitive associate.
Biomimetic Grasp Force Decoding per mani bioniche
Il Biomimetic Grasp Force Decoding rappresenta una delle innovazioni più avanzate nel campo delle protesi bioniche, mirata a migliorare il controllo delle mani artificiali. Questa tecnologia, sviluppata da un team di ricercatori tra cui E. V. Okorokova, si basa sulla decodifica della forza di presa direttamente dai segnali cerebrali o muscolari residui. L’obiettivo è replicare il controllo naturale del cervello sulla mano biologica, offrendo agli utenti una sensazione di controllo più intuitiva e movimenti più precisi.
Il punto di forza principale di questa tecnologia risiede nella sua capacità di fornire un controllo motorio estremamente preciso. Grazie al feedback biomimetico, gli utenti possono regolare la forza di presa in modo naturale, migliorando la destrezza e riducendo l’affaticamento mentale durante l’uso prolungato. Le ricerche sono supportate da tecnologie fornite da Blackrock Neurotech, che ha contribuito a sviluppare soluzioni all’avanguardia per la neuroingegneria.
L’implementazione di questa tecnologia non è però particolarmente semplice: la complessità dei sistemi di rilevamento e decodifica rende il dispositivo costoso e difficile da produrre su larga scala. L’uso efficace richiede un addestramento specifico per pazienti e terapisti, aumentando i costi della riabilitazione, e la sua affidabilità può essere influenzata da fattori esterni come interferenze elettromagnetiche o variazioni fisiologiche nei segnali neurali.
Fast, Accurate, Unsupervised EEG-Based Auditory Attention Decoding
La tecnologia di Fast, Accurate, Unsupervised EEG-Based Auditory Attention Decoding segna un importante progresso nelle neuroscienze applicate, in particolare per il supporto delle persone con deficit uditivi. Sviluppata da un team della KU Leuven in Belgio, tra cui Simon Geirnaert, Tom Francart e Alexander Bertrand, questa tecnologia utilizza segnali EEG per decodificare l’attenzione uditiva in tempo reale, migliorando le performance dei dispositivi acustici.
Uno dei principali vantaggi di questo sistema è la capacità di adattarsi dinamicamente alle esigenze dell’utente, ottimizzando la qualità del suono e riducendo il rumore di fondo in ambienti complessi. Grazie a sofisticati algoritmi di apprendimento automatico non supervisionati, la tecnologia offre un’esperienza uditiva più naturale e personalizzata, riducendo al contempo il carico di lavoro per i professionisti della salute.
Nonostante i numerosi vantaggi, il sistema presenta alcune limitazioni. La sua sensibilità ai rumori ambientali può compromettere la precisione della decodifica in determinate situazioni. Inoltre, richiede l’uso di apparecchiature EEG avanzate, spesso costose e poco pratiche per un utilizzo quotidiano, e la sua efficacia può variare in base alle caratteristiche individuali degli utenti.
Brain-Body Interfaces (BBI) per la riabilitazione neurologica
Le Brain-Body Interfaces (BBI) rappresentano una frontiera avanzata nella riabilitazione neurologica, progettate per ristabilire la connessione tra cervello e corpo nei pazienti con lesioni neurologiche. Sviluppate da un team internazionale guidato da Elena Losanno, Marion Badi, Evgenia Roussinova, Andrew Bogaard, Maude Delacombaz, Solaiman Shokur e Silvestro Micera, con il supporto della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa e dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), queste interfacce utilizzano segnali cerebrali per controllare stimolatori neuromuscolari e protesi, favorendo il recupero motorio.
Uno dei principali punti di forza delle BBI è la loro capacità di indurre cambiamenti duraturi nel sistema nervoso attraverso la stimolazione ripetuta, favorendo la riorganizzazione delle reti neurali e migliorando le capacità motorie dei pazienti. La loro flessibilità consente di personalizzare i protocolli di trattamento in base alle esigenze specifiche di ciascun paziente.
Anche in questo caso, l’adozione delle BBI presenta criticità non trascurabili. I dispositivi più avanzati richiedono interventi chirurgici invasivi, con rischi associati di infezioni e complicazioni post-operatorie. Inoltre, i costi elevati per la ricerca, lo sviluppo e la manutenzione limitano la loro diffusione, e l’efficacia del trattamento può variare notevolmente in base alla gravita delle lesioni e alla capacità del paziente di partecipare attivamente alla riabilitazione.
La battaglia per controllare il nostro cervello è appena cominciata
Le potenzialità delle interfacce cervello-computer e delle nuove tecnologie neurotecnologiche aprono scenari entusiasmanti per la riabilitazione neurologica e il miglioramento della qualità della vita dei pazienti. Nita Farahany, doppia nazionalità iraniana e americana, Professor of Law & Philosophy alla Duke Law School, nel suo libro “Difendere il nostro cervello. La libertà di pensiero nell’era delle neurotecnologie” evidenzia come questi progressi pongono anche dilemmi etici particolarmente significativi, in riferimento alla privacy mentale, all’autonomia individuale e al rischio di un utilizzo improprio dei dati neurali (n.d.r. la traduzione del titolo in italiano è, a mio avviso, poco appropriata: in inglese si parla proprio di battaglia, per altro già cominciata: “The Battle for Your Brain”).
Un aspetto davvero importante da considerare è la cybersecurity legata alle BCI. Con la crescente sofisticazione degli attacchi informatici, i dispositivi neurali potrebbero diventare un bersaglio per hacker e criminali informatici. La compromissione di una BCI potrebbe portare al furto di dati sensibili, alla manipolazione delle funzioni cognitive e persino al controllo del comportamento dell’utente. È quindi essenziale sviluppare protocolli di sicurezza robusti e meccanismi di protezione avanzati per prevenire accessi non autorizzati e garantire l’integrità dei dati neurali.
In questo scenario, diventa imperativo affidarsi a esperti legali specializzati nel settore delle neurotecnologie. Un consulente legale esperto può fornire una valutazione approfondita dei rischi e delle implicazioni legali legate all’utilizzo delle BCI, sia a scopo precautelativo, per implementare misure di sicurezza e conformità normativa, sia come azione successiva (ex post), in caso di violazioni della privacy o incidenti di cybersecurity. La loro competenza è fondamentale per navigare nel complesso panorama legale e proteggere i diritti degli utenti.
È quindi fondamentale per la nostra rivista Medici Oggi che il dibattito medico e scientifico si accompagni a una riflessione critica su questi aspetti, per garantire che l’innovazione tecnologica proceda in equilibrio con la tutela dei diritti fondamentali della persona. Solo così potremo sfruttare appieno i benefici delle neuroscienze senza compromettere la nostra identità più profonda di essere umani.
