Giocare con il cervello
Controlla un gioco per computer usando solo il pensiero. Samuel Kunz, paralizzato, si sta allenando per il Cybathlon di quest'anno con ricercatori di Zurigo e Singapore.
Samuel Kunz è nel pieno della fase di allenamento. A novembre gareggerà contro altri nove atleti nella Global Edition di Cybathlon 2020. La sua disciplina: una gara d'auto virtuale in cui guiderà il veicolo solo con il pensiero. Paulina Kratka, studentessa del Neural Control of Movement Lab, lo va a trovare regolarmente a Frauenfeld, gli mette una cuffia con 64 elettrodi e riempie ciascuno di essi con un gel elettrolitico per garantire il contatto tra l'elettrodo e il cuoio capelluto. Poi collega i cavi della cuffia a un amplificatore di segnale, che è collegato a un computer portatile che esegue il gioco al computer.
Samuel Kunz è il pilota del team Brain Computer Interface (BCI) dell'ETH di Zurigo. ? paralizzato dal collo in giù dopo un incidente di nuoto nella Limmat nell'estate del 2014. Nonostante ciò, ha completato gli studi in ingegneria meccanica presso lo ZHAW e ora lavora come ingegnere progettista. "Sono molto esperto di tecnologia", dice. "Quando il mio terapeuta mi ha parlato del Cybathlon, ho capito subito che volevo partecipare".
EEG al posto del volante
Per il Cybathlon di quest'anno, Nicole Wenderoth, docente dell'ETH presso il Neural Control of Movement Lab, lavora a stretto contatto con il professore Cuntai Guan della Nanyang Technological University (NTU) di Singapore. Il suo gruppo è specializzato in elettroencefalografia (EEG) e nell'elaborazione dei segnali neurologici. L'EEG viene utilizzato nelle neuroscienze per misurare l'attività elettrica del cervello. Con gli algoritmi giusti, può essere utilizzato anche per far funzionare i giochi per computer.
"Utilizziamo l'EEG per misurare tutti i segnali provenienti dalla corteccia cerebrale", spiega Rea Lehner, Senior Programme Manager e Senior Researcher Future Health Technologies a Singapore e responsabile del team BCI. "La sfida più grande consiste nel filtrare i segnali utilizzati per controllare il gioco al computer e identificarli utilizzando l'apprendimento automatico. Nel caso del team BCI di Lehner, si tratta dei segnali provenienti dalla corteccia motoria nella parte posteriore del lobo frontale del cervello. Dalla letteratura di ricerca si sa che questi segnali sono i più adatti per creare un'interfaccia cervello-computer grazie alla loro chiara attività.
Il team di Cybathlon, sostenuto anche dalla clinica di riabilitazione Zihlschlacht e dall'azienda Brain Products, ha impiegato quasi due anni per ottimizzare l'algoritmo di elaborazione dei segnali. L'obiettivo è quello di convertire in modo preciso e mirato i segnali elettrici della corteccia motoria di Samuel Kunz in movimenti sullo schermo. Si tratta di quattro comandi: Se Kunz vuole sterzare l'auto a sinistra, si ricorda di muovere la mano sinistra. Se vuole girare a destra, pensa a muovere la mano destra. Per guidare dritto, deve rilassarsi il più possibile e per accendere le luci dell'auto quando improvvisamente si fa buio nel gioco, si ricorda di muovere entrambe le mani contemporaneamente. A seconda dei suoi pensieri, nella regione della corteccia si attiva uno schema diverso. Chi siamo lo registra tramite EEG e lo converte in un segnale di controllo tramite algoritmi. "Le sessioni di allenamento sono faticose", dice Kunz. "Quando muovo il mio corpo con la mente, è un po' come essere intrappolati in una massa viscosa come il miele", ma è già molto meglio rispetto all'inizio, quando il suo corpo si sentiva come se fosse incastonato nel cemento. Solo grazie alla riabilitazione e all'allenamento ha riacquistato gradualmente la sensibilità mentale per il proprio corpo.
Mentre i colleghi di Singapore lavorano all'algoritmo, in Svizzera sono impegnati nell'addestramento. Un programma che analizza le prestazioni dell'algoritmo funziona continuamente in background. "Il numero di sessioni di addestramento con un particolare algoritmo è cruciale perché esso si adatta al pilota e il pilota a sua volta si abitua all'algoritmo", spiega Lehner. Trovare il momento ideale per interrompere l'ulteriore sviluppo dell'algoritmo è difficile.
Interesse da parte delle aziende tecnologiche
A differenza di altre tecnologie presentate al Cybathlon, la BCI è ancora la più lontana dalle prime applicazioni pratiche. Una di queste applicazioni potrebbe essere, ad esempio, il controllo mentale di una sedia a rotelle. Tuttavia, la preparazione e l'uso di una cuffia di elettrodi sono macchinosi e la conversione del segnale è complessa. Finora è stato più facile utilizzare i segnali provenienti da muscoli ancora attivi, come quelli delle palpebre. Questi segnali sono molto più forti dei "segnali del pensiero".
Tuttavia, l'industria è già molto interessata alle BCI. Google e Facebook stanno investendo milioni in questo settore. Dopo il controllo vocale, il controllo mentale di smartphone e tablet è destinato a diventare la prossima grande novità. Anche il fondatore di Tesla Elon Musk si sta concentrando sulla BCI con la sua azienda Neuralink. Chi siamo, 90 collaboratori stanno sviluppando, tra le altre cose, elettrodi impiantabili e sottilissimi. Tuttavia, si attende ancora un'applicazione sicura sugli esseri umani. Anche Lehner è critica nei confronti di una BCI così invasiva: "Con gli elettrodi inseriti direttamente nel cervello, si ricevono naturalmente segnali molto più chiari rispetto a quelli che si ottengono con una cuffia", afferma. "Ma in termini di benefici per il paziente, questi interventi sono stati finora giustificati solo in casi eccezionali". Le complicazioni possono essere gravi e mancano ancora studi a lungo termine con ampie coorti. Lehner spera quindi che lo sviluppo di tecnologie BCI non invasive progredisca rapidamente, in modo che quelle invasive vengano utilizzate solo in casi eccezionali.
Con un pisolino per la vittoria
Il 13 novembre è arrivato il momento: Samuel Kunz cercherà di prevalere su nove squadre internazionali di BCI. Chi siamo, su una distanza di 500 metri, dovrà eseguire tutti e quattro i comandi per quattro volte, anche se l'ordine in cui vengono impartiti è sconosciuto. La sfida più grande per il pilota è quella di non muovere i muscoli facciali, dice Kunz, perché questo porta a gravi segnali di interferenza. Ha ottenuto il suo miglior risultato fino ad oggi dopo un sonno ristoratore. "Ma non so ancora se sarò in grado di fare un tale pisolino poco prima della gara".
La versione originale di questo testo è stata pubblicata nel numero di marzo di quest'anno de l'ETH Magazine Globo pubblicato.
Cybathlon 2020 Edizione globale
Il Cybathlon è una competizione unica nel suo genere in cui le persone con disabilità si sfidano nel completamento di compiti rilevanti per la vita quotidiana utilizzando sistemi di assistenza tecnica all'avanguardia. Il primo Cybathlon organizzato dall'ETH di Zurigo si è svolto nel 2016. Il 13 e 14 novembre 2020, il Cybathlon si svolgerà in un nuovo formato: Chi siamo, 60 squadre provenienti da tutto il mondo, si sfideranno nelle discipline già collaudate, ma sparse in tutto il mondo. Invece di partire l'uno accanto all'altro, i piloti partiranno individualmente ovunque si trovino e filmeranno le loro gare. Le gare saranno trasmesse da Zurigo su una nuova piattaforma con un programma in diretta. Per maggiori informazioni sul Cybathlon 2020 Global Edition, cliccare qui. qui.