Disabilità: ecco la nuova protesi vocale che trasforma l’attività del cervello in parole

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Tre gruppi di ricercatori stanno sviluppando una protesi vocale collegata al cervello, che promette di aiutare i disabili a comunicare

Secondo la scienza i segnali di quello che vorremmo dire risiedono nel nostro cervello. Questa informazione, alla quale inizialmente potremmo non dare il giusto peso, può invece rappresentare una preziosa opportunità per le persone paralizzate e che hanno perso la capacità di parola.
Ad oggi, chi perso la capacità di parola può solo usare gli occhi o fare altri piccoli movimenti per controllare un cursore o selezionare le lettere sullo schermo, come il cosmologo Stephen Hawking, che tendeva la guancia per innescare un interruttore montato sugli occhiali.
Ma se un’interfaccia cervello-computer potesse ricreare direttamente un discorso, i pazienti potrebbero ottenere molti più benefici, come il controllo sul tono e l’inflessione o l’abilità a porre in essere una conversazione in modo più rapido.
Per fortuna l’idea non è passata in sordina per tre gruppi di ricercatori, che hanno recentemente fatto progressi nella trasformazione degli impulsi cerebrali in “parlato”, generato al computer grazie ai dati raccolti mediante degli elettrodi impiantati chirurgicamente nel cervello.
I gruppi dietro le nuove ricerche hanno sfruttato la maggior parte dei dati, inserendo le informazioni in reti neurali che elaborano schemi complessi e passando le informazioni attraverso strati di “nodi” computazionali. Le reti imparano regolando le connessioni tra i nodi e sono state capaci di ricostruire parole e frasi, in alcuni casi, comprensibili agli ascoltatori umani.

Tuttavia, i ricercatori possono fare una registrazione così invasiva solo in rari casi. Uno è durante la rimozione di un tumore al cervello, quando le letture elettriche dal cervello esposto aiutano i chirurghi a localizzare ed evitare le aree chiave del linguaggio e delle capacità motorie. Un altro è quando i pazienti affetti da epilessia vengono impiantati degli elettrodi in modo da individuare l’origine delle crisi. In entrambi i casi, la finestra temporale in cui i ricercatori possono operare è molto breve, e questo rappresenta un grosso limite nella raccolta dei dati utili.

La squadra guidata dai neuroscienziati

Miguel Angrick, dell’Università di Brema in Germania, e Christian Herffr dell’Università di Maastricht nei Paesi Bassi, ha fatto affidamento sui dati di sei persone sottoposte a intervento chirurgico a causa di un tumore al cervello.
Un microfono ha catturato le loro voci mentre leggevano ad alta voce parole monosillabiche. Nel frattempo, gli elettrodi hanno registrato gli impulsi provenienti dalle aree di pianificazione del linguaggio e dalle aree motorie, che inviano comandi al tratto vocale per l’articolazione delle parole. La rete ha mappato la risposta degli elettrodi alle registrazioni audio e ha così ricostruito le parole a partire dai dati cerebrali. Secondo un sistema di punteggio computerizzato, circa il 40% delle parole generate dal computer erano comprensibili.
Il team del Dott. Mesgarani, della Columbia University, si è invece basato sui dati di cinque persone affette da epilessia. La loro rete neurale ha analizzato le registrazioni dalla corteccia uditiva (che è attiva sia durante il parlato che l’ascolto), mentre i pazienti ascoltavano registrazioni e persone che dicevano cifre da zero a nove. Il computer ha quindi ricostruito i numeri dai soli dati neurali; quando il computer diceva i numeri, un gruppo di ascoltatori li ripeteva con una precisione del 75%.
Infine, il neurochirurgo Edward Chang e il suo team all’Università della California, a San Francisco, hanno ricostruito intere frasi a partire dall’attività cerebrale catturata dalle aree del linguaggio e motorie, mentre tre pazienti epilettici leggevano ad alta voce.
In un test online, 166 persone hanno ascoltato una delle frasi e hanno dovuto selezionarla tra 10 scelte scritte. Alcune frasi sono state identificate correttamente circa l’80% delle volte.
I ricercatori hanno anche spinto ulteriormente il modello: lo hanno usato per ricreare frasi dai dati registrati mentre le persone pronunciavano parole in silenzio.
Questo risultato rappresenta un importante passo avanti verso lo sviluppo di una protesi vocale.

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Ragazzo paralizzato riesce a versare acqua in un bicchiere grazie a un chip nel cervello

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Il paziente è riuscito a muovere la mano e a versare del liquido in una bottiglia (foto: Ohio State University Wexner Medical Center/ Batelle)

ll risultato della sperimentazione della Ohio State University, pubblicato su Nature. Il giovane ha 24 anni ed è tetraplegico dal 2010

UN RAGAZZO di 24 anni con braccia e gambe paralizzate ha potuto muovere la mano, le dita e il polso, afferrando una bottiglia e riuscendo a versarne il contenuto in un bicchiere. Gesti quotidiani resi possibili grazie a un chip impiantato nel cervello, nel secondo esperimento di questo tipo su un essere umano. Il risultato della sperimentazione, pubblicato su Nature, si deve al gruppo coordinato da Ali Rezai, della Ohio State University, Chad Bouton, dell’Istituto Feinstein per la ricerca medica, e Nick Annetta, del Battelle Memorial Institute.

Un ‘bypass neurale’. Il giovane è immobilizzato da anni a causa di una lesione del midollo spinale superiore. Il ritorno al movimento è stato ottenuto utilizzando i segnali registrati dalla sua corteccia motoria. Con un ‘bypass neurale’, fatto di un chip impiantato in testa e di un sistema hi-tech in grado di connettere il cervello ai muscoli, gli scienziati sono riusciti ad aggirare la lesione che aveva spezzato questo legame e a ripristinare il controllo degli arti.

Il primo esperimento. Già nel giugno 2014 lo stesso gruppo di studiosi aveva parlato della rivincita del giovane Ian Burkhart e dei suoi primi movimenti dopo anni di immobilità assoluta. Ian era rimasto paralizzato nel 2010: tuffandosi in mare, aveva battuto la testa su un banco di sabbia nascosto dalle onde. A distanza di 4 anni dall’incidente, il ragazzo era tornato a muovere la mano. Ora, passati altri due anni, il chip lo ha aiutato a fare qualche cosa di più complicato e di insperato: afferrare una bottiglia, stringerla abbastanza da poterla maneggiare per versarne il contenuto. Ma anche altri gesti complessi come strisciare una carta di credito e usare la tastiera di un computer.

Un chip nel cervello. Il team di scienziati statunitensi ha impiantato un chip nel cervello del paziente; il microelettrodo è stato collocato nella corteccia motoria. Gli esperti hanno usato algoritmi di apprendimento automatico per decodificare l’attività neuronale e controllare l’attivazione dei muscoli dell’avambraccio attraverso un sistema di stimolazione elettrica neuromuscolare. In pratica, spiega Silvestro Micera che insegna Neuroingegneria alla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, il sistema “ripristina in modo artificiale il collegamento tra i segnali che il cervello invia agli arti per farli muovere, che è interrotto nelle persone paralizzate a causa di lesioni spinali”.

Per Micera, il risultato è molto interessante e potrebbe rendere più veloce il trasferimento di questo tipo di tecnologia sui pazienti. Il sistema si chiama NeuroLife, ed è un ‘bypass nervoso elettronico’ che registra i segnali della corteccia grazie al chip, li elabora e li trasforma nei movimenti desiderati grazie a un sistema basato sull’intelligenza artificiale, e permette di muovere la mano paralizzata attraverso gli elettrodi posti sull’avambraccio.

La tecnica. Nel 2014 Burkhart è stato il primo paziente tetraplegico al mondo a far registrare progressi grazie all’utilizzo di questa tecnica. La paralisi implica l’interruzione dei percorsi lungo i quali corrono le ‘direttive’ che il cervello invia ai muscoli. Nel tempo sono stati sviluppati sistemi che traducono l’attività neurale in segnali di controllo destinati a dispositivi di assistenza, come braccia robotiche, e sono stati anche applicati per guidare l’attivazione dei muscoli paralizzati nelle scimmie. Finora però nessun approccio del genere aveva dimostrato di funzionare, ripristinando in tempo reale il movimento nell’uomo. Nel nuovo studio si è dimostrata questa possibilità. “Negli ultimi dieci anni – spiega Bouton, uno degli autori della sperimentazione – abbiamo imparato a decifrare i segnali del cervello dei pazienti che sono completamente paralizzati e ora, per la prima volta, questi segnali sono stati trasformati in movimenti”.

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Gli esercizi. Dopo l’impianto, il giovane ha affrontato 3 sedute a settimana per 15 mesi per poter usare il sistema elettronico di bypass neurale che gli ha permesso di muovere un singolo dito e di compiere 6 diversi movimenti del polso e della mano. Soprattutto, spiegano gli scienziati, il paziente è stato in grado di completare gesti funzionali alla vita quotidiana, come appunto afferrare una bottiglia, versarne il contenuto in un barattolo e utilizzare un bastoncino per mescolare.

Necessari ulteriori test. E’ ancora presto per poter dire che il metodo potrà funzionare altre volte. Anche se ulteriori miglioramenti di queste tecnologie sono necessari per far sì che i risultati ottenuti siano più ampiamente applicabili, gli autori si dicono comunque convinti che questo lavoro farà avanzare la tecnologia delle ‘neuroprotesi’ dedicate a persone che convivono con gli effetti di una paralisi.
(repubblica.it)