Innovazione

L'importante è il pensiero

di Francesco Smerghetto

Nel 2005 dire che il computer può essere uno strumento molto utile per le persone con disabilità sembra un'affermazione un po' scontata. Soprattutto se pensiamo all'impiego più comune del Pc di casa, che permette, tra le tante altre funzioni, l'invio di messaggi email, comodissime ricerche di informazioni in rete oppure acquisti e prenotazioni direttamente online.

Abbiamo assimilato in fretta anche altre invenzioni più recenti: con particolari software e dispositivi, un moderno elaboratore è in grado di comandare apparecchi esterni ed interagire con l'ambiente circostante. Piccoli aiuti che forse non cambiano la vita, ma che possono garantire ai disabili una maggiore autonomia, almeno tra le mura domestiche.

Queste ovvie opportunità non sono però per tutti: ci sono persone la cui mobilità è compromessa al punto da non permettere loro nemmeno di azionare una tastiera o altri dispositivi di comando, come ad esempio un joystick, per comunicare con il Pc.

Esistono degli ausili che consentono di controllare un computer attraverso la voce, il movimento degli occhi, della lingua o delle palpebre. Questi sistemi si basano su movimenti muscolari che, seppur minimi e residuali, potrebbero essere problematici, in rari casi impossibili, per persone con paralisi gravi. Tali soluzioni, inoltre, non consentono ancora la precisione, la flessibilità e la velocità necessarie per eseguire operazioni molto complesse.

Ma la ricerca non si ferma e studia vie alternative, arrivando addirittura ad ipotizzare - e molto concretamente - un'interfaccia che colleghi direttamente il cervello al computer. Siamo nel campo del futuribile... ma vediamo ugualmente in che direzione si muovono le ricerche più avanzate.

L'interfaccia cervello-computer

Per anni si è fantasticato su come creare un'interazione diretta tra il cervello ed un computer in grado di interpretarne le attività. Il sogno si trasforma in ricerca con gli studi sulle Brain-Computer Interfaces (BCI), interfacce cioè in grado di registrare i segnali elettrici del cervello, di convogliarli all'esterno e trasformarli in comandi che il computer interpreta ed utilizza per produrre output di vari tipi, anche fisici.

L'aspetto rivoluzionario di questi dispositivi sta proprio nel fatto che non utilizzano nessun movimento muscolare, ma solamente il "pensiero". Il presupposto su cui si basa la tecnologia BCI è che in individui con funzioni cerebrali integre gli impulsi neurali vengono comunque generati anche se non vengono poi trasmessi (agli arti, ad esempio).

Gli studi in questo campo non sono sicuramente cosa nuova, ma sembra che solo di recente siano stati fatti progressi degni di nota. Grandi novità sono state comunicate proprio in questi mesi; alcune sono state presentate alla comunità scientifica internazionale in occasione della conferenza annuale della Society for Neuroscience (www.sfn.org).

Le BCI realizzate finora differiscono molto tra loro per il tipo di segnali cerebrali che utilizzano, per come li registrano e li traducono e negli strumenti che controllano. Vediamo alcuni esempi.

La porta del cervello

Una delle strade perseguite per arrivare ad una interfaccia in grado di trasmettere comandi complessi è quella - piuttosto inquietante - dell'impianto di elettrodi direttamente nella corteccia cerebrale motoria. Esperimenti di questo tipo vengono condotti da diversi anni sugli animali.

Al di là di tutte le riserve che nutriamo sulla sperimentazione animale, riportiamo che lo scorso ottobre il professor Andrew Schwartz dell'Università di Pittsburgh ha affermato di aver finalmente raggiunto risultati "apprezzabili" in questo campo (il paziente, ne siamo convinti, non è dello stesso avviso): una scimmia alla quale era stato impiantato un sensore nel cervello è riuscita, dopo un periodo di addestramento, a comandare con il "pensiero" un braccio meccanico motorizzato e ad utilizzarlo per afferrare del cibo e portarlo alla bocca.

Nello stesso periodo sono stati comunicati anche gli esiti, ancora parziali, del progetto BrainGate Neural Interface System. Questo è il nome che la Cyberkinetics, una compagnia del Massachusetts, ha dato al suo esperimento basato sulle ricerche della Brown University del Rhode Island.

Il funzionamento di questa "porta del cervello" è molto complesso, ma può essere riassunto così: un microchip di due millimetri di lato viene collegato chirurgicamente, attraverso un centinaio di elettrodi, direttamente nella corteccia cerebrale della persona. Il chip comunica con l'esterno tramite un cavo in fibra ottica. Una centralina esterna quindi raccoglie ed interpreta i segnali provenienti dal cervello e li traduce in dati utilizzabili dal computer.

La Cyberkinetics finora ha testato il sistema su un solo volontario, tetraplegico, che è riuscito a svolgere alcune operazioni quali utilizzare il Pc e comandare un braccio robotico. La United States Food & Drug Administration ha concesso all'azienda di continuare lo studio del progetto BrainGate sugli esseri umani testandolo su altri volontari.

Maggiori informazioni (in inglese) e video illustrativi sul progetto BrainGate si possono trovare nel sito www.cyberkineticsinc.com

Quello della Cyberkinetics, è bene ricordarlo, è solo uno dei numerosi esperimenti con BCI invasive che vengono condotti attualmente in tutto il mondo. Molti scienziati sono infatti convinti che questa sia l'unica tecnica che può dare buoni frutti. Ma, fortunatamente, c'è anche chi la pensa diversamente.

Il cappello magico

Era opinione comune, almeno fino a qualche mese fa, che segnali complessi potessero venire registrati e trasmessi solo attraverso BCI invasive. Jonathan Wolpaw, ricercatore del Wadsworth Center of the New York State Department of Health, ha però recentemente dimostrato che interfacce di tipo non invasivo, cioè non collegate direttamente al cervello, sono in grado di garantire un controllo multidimensionale dei movimenti con una precisione ed una velocità paragonabili a quelle ottenute nelle scimmie utilizzando la tecnica invasiva (cioè, volgarmente, bucando il cranio).

Ciò è possibile grazie ad un particolare "cappello" dotato di elettrodi che registrano l'attività cerebrale attraverso il cuoio capelluto per poi trasformarla in segnali digitali. Qualcuno avrà riconosciuto il procedimento tipico dell'elettroencefalogramma. E infatti proprio di un "banale" elettroencefalogramma (EEG) si tratta.

Questo sistema offre un duplice vantaggio: non è invasivo (non richiede alcun tipo di intervento, a parte forse una antiestetica rasatura) ed è in grado di registrare l'attività di tutto il cervello e non solo di un'area limitata della corteccia in cui vengono posti gli elettrodi.

Il casco di elettrodi è stato testato sia su persone con lesioni spinali che su soggetti sani, che hanno imparato ad immaginare le azioni per spostare un cursore sullo schermo di un Pc. Significativamente, i soggetti con disabilità, forse solo perché più motivati, hanno ottenuto risultati migliori.

Il traguardo per il futuro è chiaramente ben più ambizioso di un semplice movimento bidimensionale in una realtà virtuale. Se questo "berrettino" sarà in grado di controllare anche movimenti più articolati e tridimensionali, le persone con gravi disabilità motorie potranno utilizzare un braccio robotico o una neuroprotesi senza i rischi legati all'impianto di elettrodi nel cervello.

Parallelamente a questo studio il Wadsworth Center ha sviluppato un particolare software per la decodifica dei segnali cerebrali. L'utilità di questo programma, che è stato chiamato BCI2000, non si limita alla tecnica EEG: esso infatti è altamente configurabile e può interpretare diversi tipi di segnali ed interagire con varie applicazioni.

Quale interfaccia?

I metodi che abbiamo descritto presentano vantaggi e svantaggi. Registrare i segnali direttamente nel cervello richiede che vengano impiantati chirurgicamente degli elettrodi, e questo potrebbe creare il rischio di infezioni. L'estrema invasività di questa soluzione lascia inoltre un po' perplessi anche da altri punti di vista: si tratta sempre di un corpo estraneo collocato nella testa del paziente, ed oltre alle già citate controindicazioni questo potrebbe causare in alcuni un rigetto di tipo emotivo.

La soluzione che utilizza l'elettroencefalogramma, al contrario, è più sicura ma restituisce un segnale più confuso, perché proviene da più aree del cervello e deve attraversare la scatola cranica. Inoltre, per poter dominare le nuove abilità, in genere i pazienti devono essere addestrati per un tempo più lungo.

Ci sono altre soluzioni che si pongono più o meno a metà tra le due sopracitate e cercano di combinare i vantaggi di entrambe riducendone però gli inconvenienti.

Studiosi del California Institute of Technology hanno sviluppato un'apparecchiatura che raccoglie le informazioni utilizzando i potenziali locali (LFP): gli elettrodi impiantati registrano segnali provenienti da centinaia di migliaia di cellule contemporaneamente invece che da singoli neuroni.

Un'altra possibilità è quella prospettata da Gerwin Schalk, anch'egli ricercatore presso il Wadsworth Center: invece di registrare dall'interno della corteccia cerebrale o dal cuoio capelluto, egli propone di raccogliere i segnali dalla superficie del cervello, nel cranio. Questa tecnica, chiamata elettrocorticografia (ECoG), utilizza elettrodi che non penetrano nel cervello. Sembra che il tempo richiesto al paziente per acquisire destrezza sia sensibilmente minore rispetto ad una EEG. Rispetto alla soluzione con singoli neuroni, la ECoG ha invece il vantaggio di essere meno rischiosa.

Pensando al futuro

Le applicazioni di una interfaccia BCI sono, almeno in linea teorica, pressoché infinite. Resta da chiarire l'effettiva portata delle recenti scoperte e soprattutto quanto questi nuovi dispositivi potranno effettivamente essere applicati con successo nel campo della disabilità.

Se si riuscirà a trasmettere comandi complessi potrebbero venire sfruttate tutte le enormi potenzialità degli elaboratori moderni. E allora rispondere al telefono, guardare la televisione, azionare luci, elettrodomestici, infissi potrebbero divenire azioni semplici veramente per chiunque. Ma questi sono solo esempi banali, perché tutto quello che potrà venire comandato attraverso un computer potrà essere azionato col pensiero.

Possiamo immaginare congegni in grado di riprodurre anche i più piccoli movimenti degli arti, ed in particolare delle mani, che la persona non può utilizzare. Una delle sfide sarà rendere l'impiego di questi dispositivi il più naturale ed intuitivo possibile, come se fossero parte del proprio corpo. Se consideriamo gli enormi progressi nel campo della robotica, il passo verso la creazione dell'uomo bionico, con tutte le implicazioni positive e negative, potrebbe essere breve.

Troppi se e troppi condizionali: torniamo nel 2005 e con i piedi per terra. Per le persone con disabilità gravi un uso agevole e rapido del Pc sarà già un buon passo avanti. Ci auguriamo che questo sia presto possibile. Per il resto non possiamo che attendere, con curiosità ed un po' di apprensione.

Ogni scoperta scientifica è un dono all'umanità. E se è vero che l'importante è il pensiero, speriamo almeno non ci regalino nuovi mostri!

Altro che disabili!

Al fascino delle BCI sembra non siano rimasti insensibili alcuni ambienti militari. Negli Stati Uniti la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) sta finanziando ricerche di questo tipo, che però non si limitano alla comunicazione bidirezionale tra uomo e computer.

Si parla di un progetto per creare roditori con il cervello "programmato" per la ricerca di mine, ma è lecito aspettarsi altre e più strane applicazioni ai limiti della fantascienza, come velivoli ipertecnologici ed armi "ibride" intelligenti. Pare che tra gli obiettivi ci sia anche quello di "potenziare le abilità" di persone normodotate. Un proposito un po' ambiguo ed inquietante.

Una spinta positiva nelle ricerche potrà arrivare anche da chi non ha come primo interesse l'autonomia delle persone con disabilità?

Un progetto europeo

Il progetto IPCA (Intelligent Physiological navigation and Control of web-based Applications), cofinanziato dalla Commissione Europea nell'ambito del programma IST (Information Society Technologies), si propone come un'interessante alternativa alle BCI viste sinora.

L'obiettivo è quello di sviluppare un dispositivo che le persone con gravi difficoltà motorie o di comunicazione possano utilizzare per controllare varie applicazioni informatiche ed in particolare per navigare agevolmente in internet. Anche in questo caso il sistema è composto essenzialmente di due parti, una destinata alla registrazione dei segnali, l'altra alla decodifica ed alla trasmissione degli stessi.

La particolarità di questa soluzione è che per raccogliere i dati vengono utilizzati congiuntamente diversi tipi di sensori - non invasivi e già impiegati in altri ambiti - in grado di rilevare ognuno un particolare parametro fisiologico.

Dettagli sul progetto IPCA nel sito www.ipca.info