In un passo importante verso un sistema di interfaccia cervello-computer intracorticale completamente impiantabile, i ricercatori di BrainGate hanno dimostrato il primo uso umano di un trasmettitore wireless in grado di fornire segnali neurali a banda larga.

PROVIDENCE, R.I. [Brown University e Providence Veterans Affairs Medical Center] - Le interfacce cervello-computer (BCI) sono una tecnologia assistiva emergente, che permette alle persone con paralisi di digitare sullo schermo del computer o manipolare protesi robotiche semplicemente pensando di muovere il proprio corpo. Per anni, le BCI sperimentali utilizzate negli studi clinici hanno richiesto cavi per collegare la matrice di rilevamento nel cervello ai computer che decodificano i segnali e li usano per guidare dispositivi esterni.

Un partecipante alla sperimentazione clinica BrainGate utilizza trasmettitori wireless che sostituiscono i cavi normalmente utilizzati per trasmettere i segnali dai sensori all'interno del cervello. Credito: Braingate.org

Ora, per la prima volta, i partecipanti alla sperimentazione clinica BrainGate con tetraplegia hanno dimostrato l'uso di una BCI wireless intracorticale con un trasmettitore wireless esterno. Il sistema è in grado di trasmettere segnali cerebrali alla risoluzione del singolo neurone e in piena fedeltà a banda larga senza legare fisicamente l'utente a un sistema di decodifica. I cavi tradizionali sono sostituiti da un piccolo trasmettitore di circa 2 pollici nella sua dimensione più grande e che pesa poco più di 1,5 once. L'unità si trova sulla testa dell'utente e si collega a un array di elettrodi all'interno della corteccia motoria del cervello utilizzando la stessa porta utilizzata dai sistemi cablati.

Per uno studio pubblicato su IEEE Transactions on Biomedical Engineering, due partecipanti alla sperimentazione clinica con paralisi hanno usato il sistema BrainGate con un trasmettitore wireless per puntare, cliccare e scrivere su un computer tablet standard. Lo studio ha dimostrato che il sistema wireless ha trasmesso i segnali praticamente con la stessa fedeltà dei sistemi cablati, e i partecipanti hanno raggiunto un'accuratezza di punta e clicca e una velocità di battitura simili.

"Abbiamo dimostrato che questo sistema wireless è funzionalmente equivalente ai sistemi cablati che sono stati il gold standard nelle prestazioni BCI per anni", ha detto John Simeral, assistente professore di ingegneria (ricerca) alla Brown University, membro del consorzio di ricerca BrainGate e autore principale dello studio. "I segnali sono registrati e trasmessi con una fedeltà appropriatamente simile, il che significa che possiamo usare gli stessi algoritmi di decodifica che abbiamo usato con le apparecchiature cablate. L'unica differenza è che le persone non hanno più bisogno di essere fisicamente legate alla nostra attrezzatura, il che apre nuove possibilità in termini di come il sistema può essere utilizzato".

I ricercatori dicono che lo studio rappresenta un primo ma importante passo verso un obiettivo importante nella ricerca BCI: un sistema intracorticale completamente impiantabile che aiuti a ripristinare l'indipendenza delle persone che hanno perso la capacità di muoversi. Mentre i dispositivi wireless con larghezza di banda inferiore sono stati segnalati in precedenza, questo è il primo dispositivo a trasmettere l'intero spettro di segnali registrati da un sensore intracorticale. Questo segnale wireless a banda larga permette la ricerca clinica e la neuroscienza umana di base che è molto più difficile da eseguire con le BCI cablate.

Con questo sistema, siamo in grado di guardare l'attività cerebrale, a casa, per lunghi periodi in un modo che prima era quasi impossibile. LEIGH HOCHBERG Professore di ingegneria

Il nuovo studio ha dimostrato alcune di queste nuove possibilità. I partecipanti alla sperimentazione - un uomo di 35 anni e un uomo di 63 anni, entrambi paralizzati da lesioni del midollo spinale - sono stati in grado di utilizzare il sistema nelle loro case, al contrario dell'ambiente di laboratorio in cui si svolge la maggior parte della ricerca BCI. Privi di cavi, i partecipanti sono stati in grado di utilizzare la BCI continuamente per un massimo di 24 ore, dando ai ricercatori dati di lunga durata anche mentre i partecipanti dormivano.

"Vogliamo capire come i segnali neurali si evolvono nel tempo", ha detto Leigh Hochberg, professore di ingegneria alla Brown, ricercatore al Carney Institute for Brain Science della Brown e leader della sperimentazione clinica BrainGate. "Con questo sistema, siamo in grado di guardare l'attività del cervello, a casa, per lunghi periodi in un modo che era quasi impossibile prima. Questo ci aiuterà a progettare algoritmi di decodifica che prevedono il ripristino senza soluzione di continuità, intuitivo e affidabile della comunicazione e della mobilità per le persone con paralisi".

Il dispositivo utilizzato nello studio è stato sviluppato per la prima volta alla Brown nel laboratorio di Arto Nurmikko, un professore della Brown School of Engineering. Soprannominato il Brown Wireless Device (BWD), è stato progettato per trasmettere segnali ad alta fedeltà, mentre il consumo di energia è minimo. Nello studio attuale, due dispositivi usati insieme hanno registrato segnali neurali a 48 megabit al secondo da 200 elettrodi con una durata della batteria di oltre 36 ore.

Il dispositivo wireless originale è stato sviluppato nel laboratorio di Arto Nurmikko di Brown.

Mentre il BWD è stato usato con successo per diversi anni nella ricerca neuroscientifica di base, sono stati necessari ulteriori test e permessi normativi prima di usare il sistema nella sperimentazione BrainGate. Nurmikko dice che il passaggio all'uso umano segna un momento chiave nello sviluppo della tecnologia BCI.

"Ho il privilegio di far parte di un team che spinge le frontiere delle interfacce cervello-macchina per l'uso umano", ha detto Nurmikko. "È importante notare che la tecnologia wireless descritta nel nostro articolo ci ha aiutato a ottenere un'intuizione cruciale per la strada da percorrere nel perseguimento della prossima generazione di neurotecnologie, come le interfacce elettroniche wireless ad alta densità completamente impiantate per il cervello".

Il nuovo studio segna un altro progresso significativo da parte dei ricercatori del consorzio BrainGate, un gruppo interdisciplinare di ricercatori delle università Brown, Stanford e Case Western Reserve, così come il Providence Veterans Affairs Medical Center e il Massachusetts General Hospital. Nel 2012, il team ha pubblicato una ricerca storica in cui i partecipanti alla sperimentazione clinica sono stati in grado, per la prima volta, di operare protesi robotiche multidimensionali utilizzando un BCI. Quel lavoro è stato seguito da un flusso costante di perfezionamenti del sistema, così come da nuove scoperte cliniche che hanno permesso alle persone di digitare al computer, usare le app dei tablet e persino muovere i propri arti paralizzati.

"L'evoluzione delle BCI intracorticali dal richiedere un cavo metallico all'utilizzare invece un trasmettitore wireless in miniatura è un passo importante verso l'uso funzionale di interfacce neurali completamente impiantate e ad alte prestazioni", ha detto la co-autrice dello studio Sharlene Flesher, che è stata borsista post-dottorato a Stanford e ora è un ingegnere hardware alla Apple. "Mentre il campo si dirige verso la riduzione della larghezza di banda trasmessa preservando l'accuratezza del controllo dei dispositivi di assistenza, questo studio può essere uno dei pochi che cattura l'intera ampiezza dei segnali corticali per lunghi periodi di tempo, anche durante l'uso pratico BCI".

La nuova tecnologia wireless sta già pagando dividendi in modi inaspettati, dicono i ricercatori. Poiché i partecipanti sono in grado di utilizzare il dispositivo wireless nelle loro case senza un tecnico a disposizione per mantenere la connessione cablata, il team BrainGate è stato in grado di continuare il loro lavoro durante la pandemia COVID-19.

"Nel marzo 2020, è diventato chiaro che non saremmo stati in grado di visitare le case dei nostri partecipanti alla ricerca", ha detto Hochberg, che è anche un neurologo di assistenza critica al Massachusetts General Hospital e direttore del Centro di ricerca e sviluppo per la riabilitazione dei veterani per la neurorestazione e la neurotecnologia. "Ma addestrando gli assistenti su come stabilire la connessione wireless, un partecipante alla sperimentazione è stato in grado di utilizzare la BCI senza che i membri del nostro team fossero fisicamente presenti. Così non solo siamo stati in grado di continuare la nostra ricerca, questa tecnologia ci ha permesso di continuare con la piena larghezza di banda e la fedeltà che avevamo prima".

Simeral ha notato che, "Molte aziende sono entrate meravigliosamente nel campo delle BCI, e alcune hanno già dimostrato l'uso umano di sistemi wireless a bassa larghezza di banda, compresi alcuni che sono completamente impiantati. In questo rapporto, siamo entusiasti di aver utilizzato un sistema wireless ad alta larghezza di banda che fa avanzare le capacità scientifiche e cliniche per i sistemi futuri".

Brown ha un accordo di licenza con Blackrock Microsystems per rendere il dispositivo disponibile ai ricercatori di neuroscienze di tutto il mondo. Il team di BrainGate prevede di continuare a utilizzare il dispositivo negli studi clinici in corso.

Altri autori di quest'ultima ricerca sono Thomas Hosman, Jad Saab, Marco Vilela, Brian Franco, Jessica Kelemen, David Brandman, John Ciancibello, Paymon Rezaii, Emad Eskandar, David Rosler, Krishna Shenoy e Jaimie Henderson.

Il lavoro è stato sostenuto in parte da NIH BRAIN Initiative - NINDS (UH2NS095548), il dipartimento degli affari dei veterani (N9228C, N2864C, A2295R, B6453R, P1155R); NIH-NIDCD (R01DC009899, R01DC014034); NIH-NIBIB (R01EB007401); il comitato esecutivo sulla ricerca (ECOR) del Massachusetts General Hospital; MGH-Deane Institute; DARPA REPAIR; Wu Tsai Neurosciences Institute a Stanford; Larry e Pamela Garlick; Samuel e Betsy Reeves; l'Howard Hughes Medical Institute della Stanford University e Conquer Paralysis Now (004698).

Divulgazione: Arto Nurmikko è un inventore del dispositivo neurale wireless U.S. Patent #10433754. Il contenuto è esclusivamente la responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente le opinioni ufficiali del NIH, il Dipartimento degli Affari Veterani o il governo degli Stati Uniti.

Attenzione: Dispositivo sperimentale. Limitato dalla legge federale all'uso sperimentale.

Fonte: brown.edu