Le Brain-Computer Interface : stato dell'arte e un'applicazione ai disturbi d'ansia e dell'umore

Abstract

Le ricerche nel campo delle Brain-Computer Interface (BCI) sono aumentate esponenzialmente durante gli ultimi anni. In questo elaborato, viene presentato uno stato dell’arte delle BCI, con particolare riferimento alle componenti basilari (acquisizione del segnale, estrazione e classificazione delle caratteristiche salienti, dispositivi effettori), ai pattern cerebrali comunemente utilizzati e all’impiego di questi sistemi per il neuro-feedback. Contestualmente, vengono riportati i risultati ottenuti da una ricerca condotta presso il Laboratorio di Psicologia Cognitiva del Dipartimento di Neuroscienze dell’Università di Parma, la quale mira a tradurre questa tecnologia innovativa in un’utile applicazione clinica. Lo studio propone un prototipo di BCI, denominato Neuro-Upper (NU), che attraverso la somministrazione di stimolazioni ripetitive, sia di tipo visivo che acustico, induce una sincronizzazione delle oscillazioni cerebrali per regolare gli stati emozionali di individui affetti da disturbi ansiosi e depressivi. A questo proposito, viene presentata anche una breve trattazione sul principio di entrainment audio-visivo utilizzato dal dispositivo e sui suoi effetti nel trattamento delle suddette psicopatologie. NU si compone di una cuffia Neurosky Mindwave®, con programma annesso, che rileva e analizza otto frequenze cerebrali, e di un sistema hardware collegato a otto lampade colorate, ciascuna delle quali emette luci lampeggianti modulate sulla base dei segnali rilevati. Contemporaneamente al feedback luminoso, viene somministrata anche una stimolazione uditiva rappresentata dall’ascolto di brani musicali selezionati ad hoc. Per valutare l’efficacia della BCI, sono stati confrontati due gruppi di soggetti: il primo composto da sette partecipanti che si sono sottoposti alle procedure sperimentali con NU e il secondo da altri otto che non hanno ricevuto trattamento (controllo). Su tutti i soggetti sono state effettuate misurazioni cliniche e neuropsicologiche nelle fasi iniziali e finali dello studio. Nonostante sia stata trovata una remissione significativa dei sintomi depressivi nel gruppo sperimentale, le analisi statistiche non hanno evidenziato differenze altrettanto significative nelle misure cliniche tra i due gruppi. Inaspettatamente, invece, nel gruppo sperimentale sono stati osservati miglioramenti relativi al funzionamento cognitivo significativamente maggiori rispetto a quelli del gruppo di controllo. Inoltre, sembra che quest’ultimo risultato sia strettamente correlato alla predominanza dei ritmi theta nell’attività elettroencefalografica a seguito del trattamento. L’elaborato si conclude con una discussione sui limiti metodologici dello studio e sulle sfide che le future ricerche dovranno affrontare per una validazione appropriata di questa particolare BCI.

Researches in the field of Brain-Computer Interfaces (BCI) have grown exponentially during the last few years. In this paper, a state of the art of BCIs is presented, with particular regard to the basic components (signal acquisition, salient features extraction and classification, effector devices), the brain patterns commonly used and the application of these systems for neurofeedback. At the same time, results from a research carried at the Cognitive Psychology Laboratory of the Department of Neurosciencies, University of Parma, which aims to translate this innovative technology into an useful clinical application, are reported. The study propose a BCI prototype, called Neuro-Upper (NU), that induces a synchronization of brain oscillations through the administration of repetitive stimulation, both visual and acoustic, for the regulation of emotional states in individuals with anxiety and depressive disorders. In this respect, a brief discussion on the principle of audio-visual entrainment used by the device and its effects in the treatment of these psychopathologies is also presented. NU consists of a Neurosky Mindwave® headset, with an annexed software, that detects and analyzes eight brain frequencies, and a hardware system connected to eight colored lamps, each of which emits flashing lights modulated on the basis of the detected signals. Simultaneously to the light feedback, an auditory stimulation, represented by listening to specifically selected music tracks, is also administered. In order to assess the BCI efficacy, two groups of subjects were compared: the first one composed by seven participants who underwent experimental procedures with NU and the second one by other eight who did not receive any treatment (control). Clinical and neuropsychological assessments were performed on all subjects in the initial and final stages of the study. Despite founding a significant remission of depressive symptoms in the experimental group, statistical analysis did not show as significant differences in clinical measures between the two groups. Unexpectedly, however, improvements in cognitive functioning of the experimental group, significantly higher than those of the control group, were observed. Furthermore, it seems that this last result is closely related to the predominance of theta rhythms in the EEG activity after the treatment. The paper ends with a discussion on the methodological limitations of the study and the challenges that future researches will have to face for a proper validation of this particular BCI.