Le Brain Computer Interface (BCI) consentono una comunicazione diretta tra cervello e dispositivi esterni, come dimostrato dall'impianto Neuralink che permette a pazienti paralizzati di giocare a scacchi con il pensiero. Spaziano dalle BCI invasive (precise ma chirurgiche) a quelle non invasive come l'EEG, trovando applicazioni in riabilitazione, nel potenziamento sportivo, e nel monitoraggio di stress e attenzione. Ma non è tutto oro quel che luccica, ed i rischi etici legati alla privacy dei dati cognitivi sono sempre dietro l'angolo.

Quando il pensiero muove il cursore

Qualche mese fa, l'azienda americana Neuralink, del miliardario Elon Musk, ha pubblicato online un video in cui un paziente, rimasto completamente paralizzato dalle spalle in giù, è riuscito a giocare a scacchi sul proprio computer muovendo il cursore del mouse, solamente grazie ad un impianto cerebrale. Nel video si vede Noland Arbaugh, 29 anni, spostare il cursore del mouse servendosi esclusivamente del dispositivo impiantato nel suo cervello dopo un incidente subacqueo. L'innesto era stato eseguito lo scorso gennaio.

Questa storia è un esempio concreto di come opera un'interfaccia cervello-computer, una tecnologia che permette la comunicazione diretta tra il cervello umano (o animale) e un dispositivo esterno, senza passare per i normali canali neuromuscolari, cioè senza usare i muscoli o i movimenti. Creando un collegamento diretto tra i segnali elettrici del cervello e un computer, una protesi o un robot, le BCI bypassano le normali vie motorie del corpo e aiutano le persone affette da cecità o paralisi a vedere, a comunicare o a recuperare alcuni movimenti.

Le BCI rappresentano uno dei modi più diretti per integrare l'uomo con la macchina, al crocevia tra neuroscienze, intelligenza artificiale e tecnologia digitale. Dato il loro potenziale, le interfacce neurali trovano applicazione in vari campi: dalla medicina alla ricerca neuro-riabilitativa, fino ai videogiochi ed alla formazione.

Settant'anni di neuroscienze

In un primo momento, l'ambito di utilizzo delle interfacce uomo-macchina era strettamente legato al settore sanitario. A partire dagli anni '50–'70 gli scienziati iniziarono a registrare l'attività elettrica del cervello con l'EEG (elettroencefalogramma). Con l'avanzare dell'elettronica e dei computer, negli anni '80–'90, i ricercatori impararono a riconoscere onde cerebrali specifiche, come quelle legate al movimento o alla concentrazione. Nel 2004, grazie a progetti come BrainGate, vennero sviluppate BCI in grado di muovere un cursore sullo schermo o selezionare lettere e che trovarono ampia applicazione negli ospedali e nei centri di riabilitazione. Le BCI sperimentali consentivano a persone paralizzate di muovere arti robotici o scrivere con il pensiero, aiutavano nel recupero post-ictus stimolando le aree cerebrali coinvolte nel movimento e potevano restituire la vista a pazienti non vedenti mediante impianti retinici.

Accanto alle più sicure ed economiche BCI non invasive, che si avvalgono di sensori posizionati sul cuoio capelluto e misurano l'attività elettrica globale del cervello senza interventi chirurgici, si sono progressivamente affermate le BCI corticali o invasive. A differenza delle non invasive, quest'ultime prevedono l'impianto diretto di elettrodi nel cervello, a contatto con la corteccia cerebrale, e registrano l'attività dei singoli neuroni o di piccole popolazioni neuronali con altissima precisione. La loro tecnologia consente di superare i limiti delle BCI non invasive (bassa risoluzione, sensibilità a disturbi elettrici e semplicità dei comandi) e di garantire un'altissima risoluzione spaziale e temporale nonché controlli complessi, come il movimento fine di arti robotici o la scrittura col pensiero. Il loro utilizzo non è però privo di rischi, poiché richiedono un intervento chirurgico al cervello che potrebbe comportare pericoli di infezione, cicatrici neuronali e degrado dell'impianto nel tempo.

Neuralink e il passo più audace verso la fusione uomo-macchina

Tra i più significativi progetti neurotecnologici che segnano l'ascesa delle BCI intracorticali vi è, appunto, Neuralink. Gli impianti neurali avanzati sviluppati dall'azienda sono tipologie di BCI invasive che prevedono microelettrodi impiantati nel cervello, composti di fili sottilissimi e centinaia di canali di registrazione. L'obiettivo di Neuralink consiste nel creare un'interfaccia diretta tra cervello umano e computer, con il duplice scopo di restituire funzioni neurologiche a persone con disabilità o lesioni e, nel lungo periodo, di integrare l'uomo con l'intelligenza artificiale.

Il dispositivo, detto Link, è una piccola capsula elettronica, grande circa come una moneta da 2 euro, impiantata nel cranio, da cui partono fili sottili come capelli, chiamati thread, che penetrando nella corteccia cerebrale permettono di registrare o stimolare l'attività dei neuroni. Per impiantare i fili con estrema precisione, Neuralink ha sviluppato un robot neurochirurgico automatizzato che inserisce i thread evitando i vasi sanguigni, garantisce un posizionamento micrometrico e riduce i rischi e la durata dell'intervento. Il dispositivo registra l'attività elettrica dei neuroni e la traduce in comandi digitali. Neuralink rappresenta dunque il passo più audace dell'uomo verso la fusione tra cervello e macchina.

BCI per la salute mentale e lo sport

Dall'ambito prettamente clinico o riabilitativo, le BCI si stanno gradualmente espandendo sul mercato consumer destinato, quindi, al pubblico generale. Vari studi evidenziano come il training con dispositivi neurotecnologici possa influenzare positivamente il benessere psicologico di pazienti affetti da depressione resistente ai trattamenti, migliorando significativamente la qualità della vita.

Un altro ambito di applicazione riguarda il miglioramento dell'efficienza e del rendimento cognitivi. Le cuffie Halo Sport di Halo Neuroscience sono un esempio di dispositivo consumer non invasivo, progettato per un uso domestico semplice, che si avvale della stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) per aumentare la plasticità cerebrale durante l'allenamento fisico o l'apprendimento motorio. Attraverso impulsi elettrici, il sistema Neuropriming prepara il cervello a sessioni di allenamento più efficaci, migliorando forza, coordinazione e abilità motorie. La stimolazione transcranica attivata mediante le cuffie crea una "finestra di iper-apprendimento" di circa 60 minuti dopo la sessione, durante la quale il cervello adatta le vie neurali in modo più efficiente.

Diversi atleti, tra velocisti, staffettisti e ostacolisti, che hanno partecipato alle Olimpiadi di Rio del 2016, hanno utilizzato le cuffie Halo Sport durante gli allenamenti ad alta intensità. Dai test effettuati è risultato che questi dispositivi, indossati durante gli allenamenti e monitorati a distanza mediante un'app, hanno aiutato gli atleti a migliorare l'esecuzione del movimento e, quindi, le capacità di esplosività del 12%. Sebbene nato per lo sport, il concetto viene esplorato anche per altri contesti e finalità.

La ricerca italiana tra cobot, serious games e sfide etiche

In Italia, nel laboratorio di ricerca ARHeMLab, che afferisce al Centro Interdipartimentale di Ricerca in Management Sanitario e Innovazione in Sanità (CIRMIS), presso l'Università degli studi di Napoli Federico II, si lavora allo studio e all'applicazione della Brain-Computer Interface per dispositivi indossabili, convinti della sua utilità negli ambienti lavorativi, in quelli medico-riabilitativi, pedagogici e didattici. In particolare, si lavora sulle potenzialità di una particolare forma di interfaccia neurale per monitorare lo stato mentale degli individui (condizioni di stress, emozioni ed altro) attraverso strumenti semplici e portatili basati su segnali EEG. Lo strumento di misurazione assume spesso la forma di un caschetto con pochi elettrodi, da due a otto a seconda dell'ambito, molto pochi rispetto ai 64 canali di un EEG ad alta densità.

Sia che si tratti di un lavoratore a rischio di stress, di un paziente in riabilitazione poco collaborativo, o di uno studente scarsamente coinvolto dai contenuti didattici, il sistema riconosce, dal tipo di onde cerebrali prodotte, una condizione di allerta per la quale attivare opportune contromisure. Dai risultati finora conseguiti al Lab si è raggiunta, in molte applicazioni, un'attendibilità superiore al 90%.

Il laboratorio ARHeMLab ha rivolto la propria attenzione, nella sua prima applicazione di BCI per dispositivi indossabili, al monitoraggio delle condizioni di stress sui lavoratori a contatto con i cobot (robot collaborativi). "Nonostante questi robot collaborativi siano concepiti per lavorare insieme all'uomo, agevolandolo, si è notato che talvolta nel lavoratore subentra una condizione di stress da competizione. Noi misuriamo il livello di stress con un'accuratezza del 90% e impiegando una tecnologia low cost: la cuffietta prototipo costa solo poche centinaia di euro", specifica il professor Pasquale Arpaia, direttore del CIRMIS e responsabile scientifico dell'ARHeMLab.

Sanità Made in China

Un milione di pazienti stranieri all’anno scelgono la Cina per cure veloci ed economiche. Intanto, dietro ogni cartella clinica, Pechino raccoglie dati biometrici su scala globale.

PuntoEduca | Informare. Innovare. Crescere.Costanza Bosi

La finalità della ricerca si lega all'esigenza del mercato di misurare l'engagement, ossia il coinvolgimento attivo, sia in ambito di riabilitazione pediatrica che in funzione delle più avanzate competenze per la formazione, in ottica Learning 4.0. In ambito riabilitativo, due sono i fronti d'interesse: la distrazione e la valenza emotiva. Quello che si intende mettere a punto sono esercizi exer-game (videogiochi che richiedono movimento fisico) adattativi, in grado di adattarsi al reale livello della persona, partendo dalla sua attenzione o distrazione. Mediante un caschetto provvisto di soli 4 elettrodi, è stato possibile comprendere e misurare il coinvolgimento attivo nel caso di impiego di social robot per la riabilitazione emotiva di bambini autistici, raggiungendo un grado di accuratezza dei dati maggiore del 90%, soglia che apre la strada al trasferimento tecnologico per lo sviluppo industriale.

Sul fronte della formazione 4.0 sono state sviluppate due soluzioni di misura dell'engagement in grado di adattare il livello a quello del discente, non solo alle competenze ma anche alle valenze emotive e attentive. Ciò significa che è possibile mettere in atto soluzioni capaci di riportare l'attenzione al giusto grado o di aumentare il coinvolgimento, valutando in tempo reale quanto accade. Quanto alle prospettive, i benefici derivano dalla possibilità di conoscere in tempo reale stati d'animo con estrema precisione, uno strumento prezioso sia per gestire la distrazione sia per sostenere compiti che necessitino di valenza emotiva positiva. Lo scenario che richiede invece una riflessione più attenta riguarda i contesti in cui si potrebbe perdere il controllo dell'analisi dei dati e la privacy degli stati cognitivi ed emotivi. Un serio pericolo che richiede interventi urgenti sul piano etico e legislativo.

Fonti

1. Neuralink
2. Chess.com
3. Nature
4. National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS)
5. BrainGate Consortium
6. ClinicalTrials.gov
7. PMC/NCBI
8. Halo Neuroscience
9. Engadget
10. Università degli studi di Napoli Federico II
11. ResearchGate
12. ISO - Cobot
13. IAPP