L'ultima evoluzione della BCI

di Alberto Carrara, LC

“BCI”, una sigla da esperti che nasconde quel connubbio tra due rivoluzioni: quella neuroscientifica, da una parte, e quella dell’ingegneria robotica, dall’altra. Sì, perché le evoluzioni della tecnologia denominata in inglese Brain-Computer Interface, a detta di molti esperti, rappresenta, non soltanto una “finestra” che si apre sul vasto panorama di riabilitazione clinica di persone affette da paralisi, paraplegia, tetraplegia, etc., ma, come qualche mese fa ha affermato Mark Zuckerberg, essa costituisce il futuro, prossimo, della comunicazione globale.

Inoltre, queste tecnologie di interfaccia tra cervello umano e strutture robotiche, si prefigura come una sorta di “spinta evolutiva” che, a detta dei post-umanisti, farà passare l’essere umano dal trans-umano al post-umano.

Ma caliamoci nella realtà di oggi. L’ultima applicazione, meglio sarebbe considerarla l’ultima evoluzione, all’interno delle interfaccie cervello-computer (macchina) di carattere non-invasivo (per distinguerle da quelle di natura invasiva che cioè richiedono una vera e propria neurochirurgia), è quella pubblicata sulla rivista  Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation da King e coleghi a fine settembre di quest’anno. Precisamente, il 24 settembre, sul numero 12 di questa rivista veniva presentato il lavoro intitolato: «The feasibility of a brain-computer interface functional electrical stimulation system for the restoration of overground walking after paraplegia» (Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation 12:80, 2015, 24 September).

Di che si tratta?

Basta osservare bene le immagini e ci si renderà conto! Attraverso un sistema di elettroencefalografia, abbreviato EEG, che permette una certa comunicazione non-invasiva tra segnali elettrofisiologici della corteccia cerebrale (la parte superficiale del nostro cervello) e un esoscheletro robotico, un uomo paraplegico da 5 anni, è riuscito, per la prima volta a camminare, percorrendo 3.66 metri. Il sistema rende in grado al paziente di “cerebro-guidare” i movimenti dell’esoscheletro.

Per approfondimenti, potete leggere l’articolo originale QUI e una sintesi-intervista QUI. Di seguito ripropongo il razionale dello studio in lingua inglese.  

Background

Direct brain control of overground walking in those with paraplegia due to spinal cord injury (SCI) has not been achieved. Invasive brain-computer interfaces (BCIs) may provide a permanent solution to this problem by directly linking the brain to lower extremity prostheses. To justify the pursuit of such invasive systems, the feasibility of BCI controlled overground walking should first be established in a noninvasive manner. To accomplish this goal, we developed an electroencephalogram (EEG)-based BCI to control a functional electrical stimulation (FES) system for overground walking and assessed its performance in an individual with paraplegia due to SCI.

Methods

An individual with SCI (T6 AIS B) was recruited for the study and was trained to operate an EEG-based BCI system using an attempted walking/idling control strategy. He also underwent muscle reconditioning to facilitate standing and overground walking with a commercial FES system. Subsequently, the BCI and FES systems were integrated and the participant engaged in several real-time walking tests using the BCI-FES system. This was done in both a suspended, off-the-ground condition, and an overground walking condition. BCI states, gyroscope, laser distance meter, and video recording data were used to assess the BCI performance.

Results

During the course of 19 weeks, the participant performed 30 real-time, BCI-FES controlled overground walking tests, and demonstrated the ability to purposefully operate the BCI-FES system by following verbal cues. Based on the comparison between the ground truth and decoded BCI states, he achieved information transfer rates >3 bit/s and correlations >0.9. No adverse events directly related to the study were observed.

Conclusion

This proof-of-concept study demonstrates for the first time that restoring brain-controlled overground walking after paraplegia due to SCI is feasible. Further studies are warranted to establish the generalizability of these results in a population of individuals with paraplegia due to SCI. If this noninvasive system is successfully tested in population studies, the pursuit of permanent, invasive BCI walking prostheses may be justified. In addition, a simplified version of the current system may be explored as a noninvasive neurorehabilitative therapy in those with incomplete motor SCI.