Scoperta rivoluzionaria nel controllo mentale: l'innovativa interfaccia cervello-macchina ad ultrasuoni del Caltech

Le ultime novità nelle Interfacce Cervello-Macchina presentano l'ultrasuono funzionale (fUS), una tecnica non invasiva per leggere l'attività cerebrale. Questa innovazione ha mostrato risultati promettenti nel controllo dei dispositivi con un ritardo minimo e senza la necessità di frequenti ricalibrazioni. Credit: SciTechDaily.com

L'ultrasuono funzionale (fUS) rappresenta un significativo passo avanti nella tecnologia delle Interfacce Cervello-Macchina, offrendo un metodo meno invasivo per il controllo preciso dei dispositivi elettronici mediante l'interpretazione dell'attività cerebrale.

Le interfacce cervello-macchina (BMIs) sono dispositivi in grado di leggere l'attività cerebrale e tradurla per controllare un dispositivo elettronico come un braccio protesico o un cursore del computer. Promettono di consentire alle persone con paralisi di muovere dispositivi protesici con i loro pensieri.

Molte BMIs richiedono interventi chirurgici invasivi per impiantare elettrodi nel cervello al fine di leggere l'attività neuronale. Tuttavia, nel 2021, i ricercatori del Caltech hanno sviluppato un modo per leggere l'attività cerebrale utilizzando l'ultrasuono funzionale (fUS), una tecnica molto meno invasiva.

Ora, un nuovo studio dimostra che la tecnologia fUS può essere la base per una BMI "online" — che legge l'attività cerebrale, decifra il suo significato con decodificatori programmati con l'apprendimento automatico e, di conseguenza, controlla un computer in grado di prevedere con precisione i movimenti con un ritardo minimo.

L'ultrasuono viene utilizzato per l'immagine di fogli bidimensionali del cervello, che possono quindi essere impilati per creare un'immagine tridimensionale. Credit: Courtesy of W. Griggs

Lo studio è stato condotto nei laboratori del Caltech di Richard Andersen, professore di neuroscienze e direttore del T&C Chen Brain–Machine Interface Center; e Mikhail Shapiro, professore di ingegneria chimica ed ingegneria medica e investigatore dell'Howard Hughes Medical Institute. Il lavoro è stato realizzato in collaborazione con il laboratorio di Mickael Tanter, direttore di fisica per la medicina presso l'INSERM a Parigi, Francia.

"L'ultrasuono funzionale è una nuova modalità completamente da aggiungere alla gamma di interfacce cervello-macchina che possono assistere le persone con paralisi", afferma Andersen. "Offre opzioni interessanti in termini di minore invasività rispetto agli impianti cerebrali e non richiede una ricalibrazione costante. Questa tecnologia è stata sviluppata come uno sforzo collaborativo che non poteva essere realizzato da un solo laboratorio".

"In generale, tutti gli strumenti per misurare l'attività cerebrale hanno vantaggi e svantaggi", afferma Sumner Norman, ex ricercatore associato post-dottorato al Caltech e co-primo autore dello studio. "Sebbene gli elettrodi possano misurare con precisione l'attività dei singoli neuroni, richiedono l'impianto nel cervello stesso e sono difficili da estendere a più di alcune piccole regioni cerebrali. Le tecniche non invasive hanno anche dei compromessi. La risonanza magnetica funzionale [fMRI] fornisce un accesso all'intero cervello, ma è limitata dalla sensibilità e risoluzione limitate. Metodi portatili, come l'elettroencefalografia [EEG], sono ostacolati dalla scarsa qualità del segnale e dall'incapacità di localizzare la funzione cerebrale profonda".

La vascolarizzazione della corteccia parietale posteriore misurata tramite neuroimaging a ultrasuoni funzionali. Credit: Courtesy of W. Griggs

L'immagine ad ultrasuoni funziona emettendo impulsi di suono ad alta frequenza e misurando come quelle vibrazioni sonore si riflettono in una sostanza, come i vari tessuti del corpo umano. Le onde sonore si propagano a diverse velocità attraverso questi tipi di tessuti e si riflettono ai confini tra essi. Questa tecnica è comunemente utilizzata per ottenere immagini di un feto nell'utero e per altre immagini diagnostiche.

Poiché il cranio stesso non è permeabile alle onde sonore, l'utilizzo degli ultrasuoni per l'imaging cerebrale richiede l'installazione di una "finestra" trasparente nel cranio. "In modo importante, la tecnologia dell'ultrasuono non deve essere impiantata nel cervello stesso", afferma Whitney Griggs, co-primo autore dello studio. "Questo riduce significativamente il rischio di infezioni e lascia intatto il tessuto cerebrale e la sua dura madre protettiva".

“As neurons’ activity changes, so does their use of metabolic resources like oxygen,” says Norman. “Those resources are resupplied through the blood stream, which is the key to functional ultrasound.” In this study, the researchers used ultrasound to measure changes in blood flow to specific brain regions. In the same way that the sound of an ambulance siren changes in pitch as it moves closer and then farther away from you, red blood cells will increase the pitch of the reflected ultrasound waves as they approach the source and decrease the pitch as they flow away. Measuring this Doppler-effect phenomenon allowed the researchers to record tiny changes in the brain’s blood flow down to spatial regions just 100 micrometers wide, about the width of a human hair. This enabled them to simultaneously measure the activity of tiny neural populations, some as small as just 60 neurons, widely throughout the brain.

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The researchers used functional ultrasound to measure brain activity from the posterior parietal cortex (PPC) of non-human primates, a region that governs the planning of movements and contributes to their execution. The region has been studied by the Andersen lab for decades using other techniques.

The animals were taught two tasks, requiring them to either plan to move their hand to direct a cursor on a screen, or plan to move their eyes to look at a specific part of the screen. They only needed to think about performing the task, not actually move their eyes or hands, as the BMI read the planning activity in their PPC.

“I remember how impressive it was when this kind of predictive decoding worked with electrodes two decades ago, and it’s amazing now to see it work with a much less invasive method like ultrasound,” says Shapiro.

The ultrasound data was sent in real-time to a decoder (previously trained to decode the meaning of that data using machine learning), and subsequently generated control signals to move a cursor to where the animal intended it to go. The BMI was able to successfully do this to eight radial targets with mean errors of less than 40 degrees.

“It’s significant that the technique does not require the BMI to be recalibrated each day, unlike other BMIs,” says Griggs. “As an analogy, imagine needing to recalibrate your computer mouse for up to 15 minutes each day before use.”

Next, the team plans to study how BMIs based on ultrasound technology perform in humans, and to further develop the fUS technology to enable three-dimensional imaging for improved accuracy.

The paper is titled “Decoding motor plans using a closed-loop ultrasonic brain–machine interface” and was published in the journal Nature Neuroscience on November 30.