La formazione può aiutare gli utenti tetraplegici a utilizzare sedie a rotelle controllate mentalmente in spazi naturali e disordinati

La formazione può aiutare gli utenti tetraplegici a utilizzare sedie a rotelle controllate mentalmente in spazi naturali e disordinati

Una sedia a rotelle controllata mentalmente può aiutare una persona paralizzata ad acquisire nuova mobilità traducendo i pensieri dell'utente in comandi meccanici. Il 18 novembre, i ricercatori mostrano sulla rivista iScience che, dopo un addestramento prolungato, gli utenti tetraplegici possono utilizzare sedie a rotelle controllate mentalmente in un ambiente naturale e disordinato.

Mostriamo che l’apprendimento reciproco sia dell’utente che dell’algoritmo dell’interfaccia cervello-macchina è importante affinché gli utenti possano utilizzare con successo tali sedie a rotelle. La nostra ricerca evidenzia una potenziale strada per una migliore implementazione clinica della tecnologia di interfaccia cervello-macchina non invasiva”.

José del R. Millán, autore corrispondente dello studio, Università del Texas ad Austin

Millán e i suoi colleghi hanno reclutato tre quadriplegici per lo studio longitudinale. Ciascuno dei partecipanti ha completato le sessioni di formazione tre volte a settimana per un periodo da 2 a 5 mesi. I partecipanti indossavano una calotta cranica che registrava la loro attività cerebrale attraverso l'elettroencefalografia (EEG), che veniva convertita in comandi meccanici per le sedie a rotelle tramite un dispositivo di interfaccia cervello-macchina. Ai partecipanti è stato chiesto di controllare la direzione della sedia a rotelle pensando al movimento delle loro parti del corpo. Nello specifico, dovevano ricordarsi di muovere entrambe le mani per girare a sinistra ed entrambi i piedi per girare a destra.

Nella prima sessione di formazione, tre partecipanti avevano livelli simili di precisione – quando le risposte del dispositivo corrispondevano ai pensieri degli utenti – variando da circa il 43% al 55%. Nel corso della formazione, il team del dispositivo Brain Machine Interface ha notato un miglioramento significativo nella precisione del Partecipante 1, che alla fine della formazione ha raggiunto una precisione superiore al 95%. Il team ha inoltre osservato un aumento della precisione del Partecipante 3 fino al 98% a metà dell'allenamento, prima che il team aggiornasse il suo dispositivo con un nuovo algoritmo.

Il miglioramento osservato nei partecipanti 1 e 3 è correlato ad un miglioramento nella discriminazione delle caratteristiche, cioè h. la capacità dell’algoritmo di distinguere il modello di attività cerebrale codificato per i pensieri “vai a sinistra” da quello per i pensieri “vai a destra”. Il team ha scoperto che la migliore discriminazione delle caratteristiche non era solo il risultato dell'apprendimento automatico del dispositivo, ma anche dell'apprendimento nel cervello dei partecipanti. L'EEG dei partecipanti 1 e 3 ha mostrato cambiamenti significativi nei modelli delle onde cerebrali poiché hanno migliorato la precisione del controllo mentale del dispositivo.

"Dai risultati dell'EEG vediamo che il soggetto ha consolidato la capacità di modulare diverse parti del cervello per produrre uno schema per 'vai a sinistra' e un altro schema per 'vai a destra'", dice Millán. "Crediamo che ci sia una riorganizzazione corticale avvenuta come risultato del processo di apprendimento dei partecipanti."

Rispetto ai Partecipanti 1 e 3, il Partecipante 2 non ha avuto cambiamenti significativi nei modelli di attività cerebrale durante la formazione. La sua precisione è aumentata solo leggermente nelle prime sessioni, ma è rimasta stabile per il resto del periodo di allenamento. Ciò suggerisce che l’apprendimento automatico da solo non è sufficiente per manovrare con successo un dispositivo così controllato dalla mente, afferma Millán

Al termine della formazione, a tutti i partecipanti è stato chiesto di guidare la propria sedia a rotelle attraverso una stanza d’ospedale affollata. Hanno dovuto aggirare ostacoli come un divisorio e letti ospedalieri, predisposti per simulare l'ambiente reale. Entrambi i partecipanti 1 e 3 hanno completato l'attività, mentre il partecipante 2 non l'ha completata.

"Sembra che affinché qualcuno possa acquisire un buon controllo dell'interfaccia cervello-macchina, che gli consenta di svolgere attività quotidiane relativamente complesse come guidare una sedia a rotelle in un ambiente naturale, sia necessaria una riorganizzazione neuroplastica nella nostra corteccia", afferma Millán.

Lo studio ha inoltre evidenziato il ruolo della formazione degli utenti a lungo termine. Anche se il Partecipante 1 alla fine si è comportato in modo eccellente, nei primi allenamenti ha anche faticato, dice Millán. Lo studio longitudinale è uno dei primi a valutare l’implementazione clinica della tecnologia di interfaccia cervello-macchina non invasiva nei pazienti quadriplegici.

Successivamente, il team vuole scoprire perché il Partecipante 2 non ha sperimentato l’effetto di apprendimento. Sperano di condurre un'analisi più dettagliata dei segnali cerebrali di ciascun partecipante per comprenderne le differenze e i possibili interventi per le persone che in futuro avranno difficoltà con il processo di apprendimento.

Questo lavoro è stato sostenuto in parte dal Ministero della Pubblica Istruzione italiano e dall'Istituto di Tecnologia dell'Informazione dell'Università di Padova.

Fonte:

Pressa cellulare

Riferimento:

Tonin, L., et al. (2022) Imparare a controllare una sedia a rotelle controllata dal BMI per persone affette da tetraplegia grave. iScienza. doi.org/10.1016/j.isci.2022.105418.

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