Un dispositivo sperimentale della University of California, San Francisco decodifica dallo stesso punto della corteccia sia le parole sia i gesti, permettendo a persone paralizzate di esprimersi attraverso un avatar quasi come farebbero normalmente
Un gruppo di ricercatori dell’Università della California, guidato dal neurochirurgo Edward Chang e finanziato dal National Institutes of Health statunitense, ha sviluppato un’interfaccia cervello-computer capace di tradurre in tempo reale sia il tentativo di parlare sia quello di compiere gesti con la parte superiore del corpo, utilizzando un solo impianto. Il sistema, descritto sulla rivista Nature Neuroscience, ha permesso a due pazienti su tre coinvolti nello studio di controllare un avatar digitale a corpo intero, capace ad esempio di salutare con la mano mentre pronuncia un saluto o di annuire dicendo di sì. È il primo dispositivo a unire i due canali di comunicazione nello stesso momento, invece che uno alla volta.
Le malattie che colpiscono il tronco encefalico o i motoneuroni, come la sclerosi laterale amiotrofica, spesso privano chi ne soffre non solo della voce ma anche della capacità di muovere braccia e mani, cioè di tutto ciò che normalmente accompagna un discorso. Gli strumenti oggi più diffusi per superare questa barriera si basano sul tracciamento dello sguardo per comporre frasi lettera per lettera; ma normalmente sono lenti, faticosi da usare a lungo, e permettono una limitata capacità d’espressione.
Lo stesso gruppo di ricerca aveva già dimostrato, in una ricerca precedente, che un impianto di elettrocorticografia può tradurre i tentativi di parlare in comandi capaci di animare un volto digitale. Il nuovo studio va oltre: non un volto isolato, ma un avatar a corpo intero, e non solo la parola, ma parola e gesto insieme. Ottenere più funzioni da un’interfaccia cervello-computer, finora, significava quasi sempre installare impianti distinti per ciascun compito: è il caso di un gruppo dell’Università della California con base a Davis, che ha permesso a un paziente con sclerosi laterale amiotrofica di parlare e muovere un cursore con due sistemi separati.
L’esperimento
Il team di Chang, di cui fa parte come prima autrice la dottoranda in bioingegneria Samantha Brosler, ha invece dimostrato che una singola griglia di microelettrodi, poggiata sulla superficie della corteccia sensomotoria senza penetrarla, riesce a captare insieme sia i segnali del linguaggio sia quelli del movimento delle braccia, coprendo in sicurezza un’area estesa del cervello.
Allo studio hanno preso parte tre persone con paralisi grave. Per addestrare i modelli che traducono l’attività cerebrale in comandi, i partecipanti hanno provato a pronunciare fino a dieci parole o frasi e a compiere fino a dieci gesti, per un totale di cento combinazioni possibili: un numero volutamente contenuto, spiegano i ricercatori, perché non era affatto scontato che l’approccio potesse funzionare. Due dei tre partecipanti sono riusciti a produrre combinazioni di parola e gesto interpretabili dal sistema con buona affidabilità, pur con risultati diversi tra loro, probabilmente legati alle differenti cause della paralisi.
Il dato più interessante dal punto di vista scientifico riguarda il modo in cui il cervello genera questi segnali. Ci si aspettava che l’attività neurale di chi parla e gesticola insieme fosse semplicemente la somma dei segnali delle due azioni compiute separatamente: alcuni studi precedenti avevano persino suggerito che tentare di farle insieme potesse peggiorare la qualità della parola decodificata.
I risultati raccontano invece una storia diversa: il pattern che accompagna un’espressione simultanea è nettamente distinto da quello delle azioni isolate, e i decodificatori funzionano meglio se addestrati direttamente su dati raccolti durante l’esecuzione congiunta. Il risultato rafforza un’idea che sta guadagnando terreno nella ricerca sulle interfacce cervello-computer: la corteccia motoria non sarebbe organizzata in aree nettamente separate per ciascuna parte del corpo, come suggerivano le mappe classiche, ma in circuiti che si intrecciano e si sovrappongono. Capire come il cervello elabori davvero queste combinazioni resta uno dei prossimi obiettivi del campo.
Commentario scientifico
Alcuni ricercatori esterni hanno commentato la ricerca con favore. Il neurologo Daniel Rubin, del Massachusetts General Hospital, l’ha definita un passo importante verso funzioni più naturali per chi vive con una paralisi. Il neurochirurgo Sergey Stavisky, dell’Università della California con sede a Davis, ha ricordato che l’obiettivo del settore è aiutare le persone affette da paralisi a esprimersi in modo più completo, non solo a parole. Debara Tucci, a capo dell’Istituto statunitense per i disturbi dell’udito, ha parlato di risultati promettenti per la comunicazione di chi convive con una paralisi grave.
What’s the next move?
Restano dei limiti da superare. La sfida principale sarà aumentare il numero di combinazioni gestibili senza dover riaddestrare il sistema su ognuna singolarmente: cento bastano per una dimostrazione di fattibilità, ma sono ancora lontane dalla ricchezza di un linguaggio reale. Il dispositivo, inoltre, funziona oggi tramite un cavo che collega gli elettrodi a unità di elaborazione esterne: il gruppo di Chang ha già annunciato l’intenzione di testare presto una versione completamente impiantabile e senza fili, più adatta a un uso quotidiano.
L’avatar digitale che saluta con la mano non è, certo, lo stesso di un corpo che si muove nel mondo reale. Ma per i ricercatori rappresenta un banco di prova prezioso in vista di applicazioni più ambiziose, come il controllo di arti robotici mentre si parla, con la stessa naturalezza con cui una persona conversa mentre cucina o svolge un’altra attività manuale. Restituire non solo le parole, ma anche il linguaggio del corpo che normalmente le accompagna, resta l’obiettivo a lungo termine dichiarato da tutto il settore: aiutare chi ha perso la capacità di muoversi e di parlare a esprimersi di nuovo in modo pieno.