Neuroprotesi : approcci teorici e applicazioni pratiche delle interfacce cervello-computer in ambito clinico e riabilitativo in pazienti con disabilità

Abstract

Negli ultimi dieci anni le neuroscienze cognitive e computazionali hanno fatto molti progressi nel campo dell’ingegneria elettronica e biomedica, sviluppando nuove tecnologie per interfacce interattive robotiche e per sistemi diagnostici. Il campo delle neuroprotesi include lo sviluppo di tecnologie come la stimolazione profonda del cervello, la stimolazione del nervo vago e altri tipi di stimolazioni motorie, visive, uditive, percezione aptica e processi cognitivi. Le BCI (Brain - Computer Interfaces - Interfacce Cervello-Computer) sono macchine che creano un nuovo canale d’uscita (output) dal cervello, diverso dal naturale comando motorio. Le BCI convertono l’attività cerebrale registrata in un output capace di controllare alcuni dispositivi del mondo esterno, come un cursore sullo schermo di un computer oppure un arto meccanico. Questi dispositivi sono molto utili per pazienti che possono aver subito danni al midollo spinale, ictus, amputazioni o soffrire di malattie neuromuscolari ma che conservano intatte le proprie capacità cognitive. Diversi gruppi sperimentali si sono occupati di studiare e approfondire il campo delle neuroprotesi differenziando i loro approcci in base alle aree corticali di registrazione e alla tipologia di segnale corticale estratto. Schwartz e collaboratori hanno focalizzato la loro attenzione sulle aree motorie e premotorie per un controllo più di tipo esecutivo, mentre Andersen e collaboratori estendono il focus anche sulle aree parietali, per un controllo più di ordine superiore. Si distinguono BCI invasive che registrano l’attività cerebrale tramite micro o macroelettrodi impiantati da BCI non invasive che utilizzano sensori posti sopra lo scalpo: nel primo caso si utilizzano i potenziali d’azione estratti dalle cellule o dalle fibre nervose, potenziali di campo sinaptici ed extracellulari, elettrocorticogrammi, mentre i metodi utilizzati per le BCI non invasive sono principalmente i potenziali corticali lenti (Slow Cortical Potential, SCP) dell’EEG, oscillazioni EEG e MEG, principalmente ritmo sensomotorio (Sensorimotor Rhytm, SMR), conosciuto anche come ritmo mu, P300 e altri potenziali evento correlati (Event-related potential, ERPs), risposta BOLD (Blood oxygenation level dependent) nella risonanza magnetica funzionale (fMRI) e spettroscopia nel vicino infrarosso (Near infrared spectroscopy , NIRS) che misura il flusso di sangue corticale. L’utilizzo delle BCI si è diffuso in molti ambiti diversi. In ambito clinico e riabilitativo negli ultimi vent’anni sono state sviluppate BCI in grado di ristabilire le capacità comunicative in pazienti con sclerosi multipla laterale, sono stati costruiti nuovi dispositivi che favoriscono il ripristino di alcuni atti motori in pazienti paralizzati o con amputazioni, la cui lesione lasci intatte le funzioni a livello corticale, tramite la sola registrazione dell’attività cerebrale e la trasmissione del segnale a dispositivi esterni. L’ambito delle BCI, e in particolar modo delle neuroprotesi, probabilmente in futuro potrà permettere il ripristino completo di funzioni necessarie che possano restituire la libertà di svolgimento di attività della vita quotidiana in soggetti con disabilità.

In the last decades, cognitive and computational neuroscience have done much progress in electrical and biomedical engineering field, developing new technologies for robotic interfaces and diagnostic systems. Neuroprosthetics field includes the development of technologies such as deep brain and vagus nerve stimulation and other several types of motor, visual, auditory, perceptive and haptic stimulation as well as cognitive processes. The brain-computer interfaces (BCIs) are machines that able to create a new output from the brain, that is different to the natural motor command. The aim of the BCIs is to translate the brain activity recorded in an output capable to control some external devices, such as a cursor on a computer screen or a robotic limb. These devices are very useful for patients with spinal cords injury, strokes, amputations or neuromuscular diseases. Several research groups have deepened some aspects of neuroprosthetics with different approaches based on the different cortical area and the type of recorded signal. Schwartz et al. have focused on motor and premotor areas related to the executive control, while Andersen et al. have extended their studies also on the parietal areas for a cognitive control. Two classes of BCIs are distinguished: the invasive BCIs use activity recorded by brain implanted micro- or macroelectrodes, whereas noninvasive BCIs use brain signals recorded with sensors outside the body boundaries. The brain signals employed for invasive BCIs to date include action potentials from nerve cells or nerve fibres, synaptic and extracellular field potentials and electrocorticograms. The noninvasive BCIs used slow cortical potentials (SCP) of the EEG, EEG and MEG oscillations, mainly sensorimotor rhythm (SMR), also called mu-rhythm, P300 and other event-related brain potential, as well as BOLD response in functional magnetic resonance imaging and near-infrared spectroscopy (NIRS) measuring cortical blood flow. BCI are used in several areas. In the last two decades regarding the clinical and rehabilitative field have been developed new technologies to be able to restore the ability to communicate in patients with amyotrophic lateral sclerosis and have been built new devices to restore motor abilities in paralyzed or amputated patients that keep intact cognitive functions. Thanks to the BCIs technology, in particular regarding neuroprosthetics, would be probably possible, in future, the complete restoration of the needed functions and thus a full return to the daily activities in patients with disabilities.