Il dottor David Brandman & il neuroscienziato Sergey Stavisky, entrambi co-direttori dell'UC Davis Neuroprosthetics Lab.
Innovativa interfaccia cervello-computer che consente alle persone con disturbi del linguaggio, in particolare a coloro che soffrono di SLA, di comunicare in modo efficace
I ricercatori hanno impiantato sensori nel cervello di un uomo con gravi disturbi del linguaggio a causa della sclerosi laterale amiotrofica (SLA) (1). L'uomo è stato in grado di comunicare il discorso previsto entro pochi minuti dall'attivazione del sistema. Uno studio su questo lavoro è stato pubblicato sul New England Journal of Medicine (2).
La SLA, conosciuta anche come malattia di Lou Gehrig, colpisce le cellule nervose che controllano il movimento in tutto il corpo. La malattia porta ad una graduale perdita della capacità di stare in piedi, camminare e usare le mani. Può anche causare la perdita del controllo dei muscoli utilizzati per parlare, con conseguente perdita della comprensione del linguaggio.
La nuova tecnologia è in fase di sviluppo per ripristinare la comunicazione per le persone che non possono parlare a causa di paralisi o condizioni neurologiche come la SLA. Può interpretare i segnali cerebrali quando l'utente tenta di parlare e trasformarli in testo che viene “pronunciato” ad alta voce dal computer.
«La nostra tecnologia BCI ha aiutato un uomo paralitico a comunicare con amici, familiari e operatori sanitari», ha affermato il dottor David Michael Brandman (3), neurochirurgo della UC Davis. «Il nostro articolo dimostra la neuroprotesi vocale (dispositivo) più accurata mai realizzata».
Il dottor Brandman è il co-investigatore principale e co-autore senior di questo studio. È professore assistente presso il Department of Neurological Surgery e co-direttore del Laboratorio di UC Davis Neuroprosthetics Lab.
La nuova BCI rompe la barriera della comunicazione
Quando qualcuno cerca di parlare, il nuovo dispositivo BCI trasforma la sua attività cerebrale in testo sullo schermo di un computer. Il computer può quindi leggere il testo ad alta voce.
Per sviluppare il sistema, il team ha arruolato Casey Harrell, un uomo di 45 anni affetto da SLA, presso il BrainGate clinical trial (4). Al momento del suo arruolamento, Harrell aveva debolezza alle braccia e alle gambe (tetraparesi). Il suo discorso era molto difficile da capire (disartria) e richiedeva che altri lo aiutassero a interpretarlo.
Nel luglio 2023, Brandman ha impiantato il dispositivo sperimentale BCI. Ha posizionato quattro serie di microelettrodi nel giro precentrale sinistro, una regione del cervello responsabile del coordinamento del linguaggio. Gli array sono progettati per registrare l'attività cerebrale da 256 elettrodi corticali.
«Stiamo davvero rilevando il loro tentativo di muovere i muscoli e parlare», ha spiegato il neuroscienziato Sergey Stavisky (5). Egli è un professore assistente presso il Dipartimento di Chirurgia Neurologica. È co-direttore dell'UC Davis Neuroprosthetics Lab e co-investigatore principale dello studio. «Registriamo dalla parte del cervello che tenta di inviare questi comandi ai muscoli. Fondamentalmente lo ascoltiamo e traduciamo questi schemi di attività cerebrale in un fonema, come una sillaba o l'unità di discorso - e poi le parole che stanno cercando di dire».
Allenamento più veloce, risultati migliori
Nonostante i recenti progressi nella tecnologia BCI, gli sforzi per consentire la comunicazione sono stati lenti e soggetti a errori. Questo perché i programmi di apprendimento automatico che interpretavano i segnali cerebrali richiedevano una grande quantità di tempo e dati per essere eseguiti.
«I precedenti sistemi BCI (Brain–computer interfaces) vocali presentavano frequenti errori di parole. Ciò rendeva difficile per l'utente essere compreso in modo coerente e costituiva un ostacolo alla comunicazione», ha spiegato il dottor Brandman. «Il nostro obiettivo era sviluppare un sistema che permettesse a qualcuno di farsi capire ogni volta che voleva parlare».
Il sognor Casey Harrell ha utilizzato il sistema sia in contesti di conversazione guidati che spontanei. In entrambi i casi, la decodifica vocale è avvenuta in tempo reale, con continui aggiornamenti del sistema per mantenerlo funzionante in modo accurato.
Le parole decodificate venivano mostrate su uno schermo. Sorprendentemente, furono letti ad alta voce con una voce che sembrava quella di Harrell prima che avesse la SLA. La voce è stata composta utilizzando un software addestrato con campioni audio esistenti della sua voce pre-SLA.
Durante la prima sessione di addestramento sui dati vocali, il sistema ha impiegato 30 minuti per raggiungere una precisione delle parole del 99,6% con un vocabolario di 50 parole.
«La prima volta che abbiamo provato il sistema, ha pianto di gioia quando le parole che stava cercando di dire correttamente sono apparse sullo schermo. Lo abbiamo fatto tutti», ha detto Sergey Stavisky.
Nella seconda sessione, la dimensione del vocabolario potenziale è aumentata a 125.000 parole. Con solo 1,4 ore aggiuntive di dati di addestramento, la BCI ha raggiunto una precisione delle parole del 90,2% con questo vocabolario notevolmente ampliato. Dopo la continua raccolta dei dati, la BCI ha mantenuto una precisione del 97,5%.
«A questo punto, possiamo decodificare ciò che Casey sta cercando di dire correttamente circa il 97% delle volte, il che è meglio di molte applicazioni per smartphone disponibili in commercio che cercano di interpretare la voce di una persona», ha detto Brandman. «Questa tecnologia è trasformativa perché offre speranza alle persone che vogliono parlare ma non possono. Spero che una tecnologia come questa BCI aiuterà i futuri pazienti a parlare con la loro famiglia e i loro amici».
Lo studio riporta 84 sessioni di raccolta dati nell'arco di 32 settimane. In totale, Harrell ha utilizzato il discorso BCI in conversazioni autogestite per oltre 248 ore per comunicare di persona e tramite chat video.
«È stato immensamente gratificante vedere Casey riacquistare la capacità di parlare con la sua famiglia e i suoi amici attraverso questa tecnologia», ha affermato l'autore principale dello studio, Nicholas Card (6). Egli è uno studioso post-dottorato presso il Dipartimento di Chirurgia Neurologica della UC Davis.
«Casey e gli altri partecipanti al BrainGate sono davvero straordinari. Meritano un enorme credito per essersi uniti a questi primi studi clinici. Lo fanno non perché sperano di ottenere qualche vantaggio personale, ma per aiutarci a sviluppare un sistema che ripristinerà la comunicazione e la mobilità per altre persone con paralisi», ha detto il coautore e sponsor dello studio BrainGate, Leigh Hochberg (7). Egli è un neurologo e neuroscienziato presso il Massachusetts General Hospital, la Brown University e il VA Providence Healthcare System.
Il dottor David Michael Brandman è il ricercatore principale responsabile del sito della sperimentazione clinica BrainGate. La sperimentazione sta arruolando i partecipanti. (4).
Riferimenti:
(1) Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS)
(2) An Accurate and Rapidly Calibrating Speech Neuroprosthesis
(5) Sergey Stavisky
(6) Nicholas Card
(7) Leigh Hochberg
Descrizione foto: Una nuova interfaccia cervello-computer (BCI) sviluppata presso l’UC Davis Health traduce i segnali cerebrali in parlato con una precisione fino al 97%: il sistema più accurato nel suo genere. - Credit: UC Davis Health.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New brain-computer interface allows man with ALS to ‘speak’ again
