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Cosa c'è da sapere sulla tecnologia controllata dalla mente

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Fonte: Thinkstock

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Controllare un oggetto o un videogioco con la mente sembra uscito da un film di fantascienza, ma i gadget che traducono le onde cerebrali in comandi che controllano un computer sono già una realtà. La tecnologia controllata dalla mente utilizza un'interfaccia cervello-computer per stabilire un percorso di comunicazione tra il cervello dell'utente e un dispositivo esterno. Ha il potenziale per aumentare o persino riparare l'udito, la vista o il movimento danneggiati dei pazienti. I sensori EEG sono stati incorporati nei sistemi di gioco che consentono a un giocatore di controllare ciò che accade sullo schermo con un auricolare, gli esoscheletri controllati da EEG traducono i segnali cerebrali degli utenti in movimenti e gli elettrodi impiantati consentono ai pazienti di controllare gli arti bionici.

La tecnologia controllata dalla mente su cui i ricercatori stanno lavorando oggi ha avuto inizio negli anni '20, quando i ricercatori scoprirono l'attività elettrica del cervello umano e svilupparono l'elettroencefalografia (EEG), la pratica di registrare quell'attività elettrica lungo il cuoio capelluto. I ricercatori hanno scoperto che i neuroni trasmettono informazioni tramite 'picchi' elettrici, che possono essere registrati con un filo metallico sottile o un elettrodo. Nel 1969, un ricercatore di nome Eberhard Fetz aveva collegato un singolo neurone nel cervello di una scimmia a un quadrante che l'animale poteva vedere. La scimmia ha imparato a far scattare il neurone più velocemente per muovere il quadrante al fine di ottenere una ricompensa e, sebbene Fetz non se ne rendesse conto in quel momento, aveva creato la prima interfaccia cervello-macchina.

30 anni fa, i fisiologi iniziarono a registrare da molti neuroni negli animali e scoprirono che mentre l'intera corteccia motoria si accende con segnali elettrici quando un animale si muove, un singolo neurone tende a sparare più velocemente in relazione a determinati movimenti. Se registri segnali da un numero sufficiente di neuroni, puoi avere un'idea approssimativa del movimento che una persona sta facendo o intende fare. I ricercatori hanno sviluppato algoritmi per ricostruire i movimenti dei neuroni della corteccia motoria e negli anni '80 Apostolos Georgopoulos ha trovato una relazione tra la risposta elettrica dei singoli neuroni e la direzione in cui hanno mosso le braccia. Dalla metà degli anni '90, i ricercatori sono stati in grado di catturare segnali complessi della corteccia motoria registrati da gruppi di neuroni e usarli per controllare dispositivi elettronici, costruendo interfacce cervello-computer che abilitano quella che chiameremmo tecnologia controllata dalla mente.

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Mentre l'EEG è emerso come un modo promettente per i pazienti paralizzati di controllare dispositivi come computer o sedie a rotelle, indossando un berretto e seguendo un addestramento per imparare a controllare un dispositivo come una sedia a rotelle immaginando che stanno muovendo una parte del loro corpo o attivando comandi con compiti mentali specifici - La Technology Review del MIT ha riportato nel 2010 che alcuni ricercatori hanno notato che l'EEG ha una precisione limitata e può rilevare un numero limitato di comandi . Mantenere esercizi mentali mentre si cerca di manovrare una sedia a rotelle in un ambiente complesso può essere stancante e la concentrazione richiesta crea segnali più rumorosi che possono essere più difficili da interpretare per un computer. Quindi alcuni stanno sperimentando il controllo condiviso, che combina il controllo del cervello con l'intelligenza artificiale per un'altra tecnica che può aiutare a trasformare i segnali cerebrali grezzi in comandi più complicati. Con il controllo condiviso, i pazienti dovrebbero istruire continuamente una sedia a rotelle per andare avanti. Avrebbero solo bisogno di pensare al comando una volta e il software avrebbe preso il sopravvento da lì.

L'anno scorso, il Technology Review del MIT ha riportato uno studio in cui una donna paralizzata ha usato la sua mente per controllare un braccio robotico . Jan Scheuermann, una donna a cui è stata diagnosticata una malattia chiamata degenerazione spinocerebellare, ha subito un intervento chirurgico al cervello in cui i medici hanno usato una pistola ad aria compressa per sparare due letti di aghi di silicio, chiamati array di elettrodi dello Utah, nella sua corteccia motoria, la sottile striscia di cervello che scorre sopra la parte superiore della testa alle mascelle e controlla il movimento volontario. Gli impianti le consentono di essere collegata a un braccio robotico che controlla con la mente all'Università di Pittsburgh, dove lo usa per spostare blocchi, impilare coni o dare il cinque.

L'array di elettrodi dello Utah registra da piccole popolazioni di neuroni per fornire segnali per un'interfaccia cervello-computer. In un array dello Utah i segnali vengono ricevuti solo dalle punte di ciascun elettrodo, il che limita la quantità di informazioni che possono essere ottenute contemporaneamente. Ma i 192 elettrodi sugli impianti di Scheuermann hanno registrato più di 270 neuroni contemporaneamente, il numero più alto mai misurato in una sola volta dal cervello di un essere umano.

I ricercatori sul caso di Scheuermann hanno dimostrato le sue capacità con l'Action Research Arm Test, utilizzando lo stesso kit di blocchi di legno, biglie e tazze che i medici usano per valutare la destrezza della mano. Ha segnato 17 su 57 - circa così come qualcuno con un grave ictus - mentre senza il braccio robotico, avrebbe segnato uno zero. Ma alcune delle carenze della tecnologia sono diventate evidenti e il controllo del braccio è diventato più difficile poiché gli impianti smettono di registrare nel tempo. Il cervello è un ambiente ostile all'elettronica e i movimenti dell'array possono accumulare tessuto cicatriziale nel tempo. Nel tempo, è possibile rilevare meno neuroni.

Scheuermann è uno dei circa 15-20 pazienti paralizzati coinvolti in studi a lungo termine su impianti in grado di trasmettere informazioni dal cervello a un computer. Altri nove sono stati sottoposti a test simili in uno studio correlato, chiamato BrainGate, e quattro pazienti 'bloccati', che non sono in grado di muoversi o parlare, hanno riacquistato una certa capacità di comunicare grazie a un diverso tipo di elettrodo sviluppato da una società chiamata Neural Segnali.

Nel 2011, la Food and Drug Administration degli Stati Uniti ha dichiarato che avrebbe allentato le sue regole per testare 'tecnologie veramente pionieristiche' come le interfacce cervello-macchina, e più ricercatori hanno intrapreso esperimenti umani. I ricercatori della Caltech vogliono dare a un paziente un 'controllo autonomo sul sistema operativo del tablet Android di Google' e un team della Ohio State University, in collaborazione con la società di ricerca e sviluppo Battelle, intende utilizzare i segnali cerebrali di un paziente per controllare gli stimolatori collegati al suo braccio in un processo che Battelle descrive come 'rianimare un arto paralizzato sotto il controllo volontario dei pensieri del partecipante'.

Questi studi si basano sul fatto che la registrazione dell'attività elettrica di poche dozzine di cellule nel cervello può fornire un'immagine abbastanza accurata di come qualcuno intende muovere un arto, e gran parte della tecnologia è ancora sperimentale. John Donoghue, un neuroscienziato della Brown University che guida lo studio BrainGate, confronta le interfacce cervello-macchina di oggi con i primi pacemaker, che facevano affidamento su carrelli di elettronica e utilizzavano fili perforati attraverso la pelle nel cuore. Alcuni sono stati azionati a manovella. Donoghue spiega: 'Quando non sai cosa sta succedendo, tieni il più possibile all'esterno e il meno possibile all'interno'. I pacemaker di oggi sono autonomi, alimentati da una batteria a lunga durata e installati in uno studio medico, e Donoghue afferma che le interfacce cervello-macchina stanno iniziando una traiettoria simile.

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Gli scienziati hanno costruito decodificatori sempre migliori - software per interpretare i segnali neuronali - nel corso degli anni, il che ha permesso loro di sperimentare schemi di controllo più ambiziosi. I ricercatori devono creare un'interfaccia che durerà per 20 anni. Risolvere questo problema consentirebbe a migliaia di pazienti di controllare sedie a rotelle, cursori del computer o persino i propri arti. I ricercatori stanno lavorando per sviluppare elettrodi ultrasottili, creare versioni più compatibili con il corpo umano o creare fogli di elettronica flessibile che potrebbero avvolgere la parte superiore del cervello.

I nuovi dispositivi medici dovranno essere sicuri, utili ed economicamente sostenibili, requisiti che le interfacce cervello-macchina attualmente non soddisfano. Non è ancora chiaro esattamente quale forma dovrebbe assumere un potenziale prodotto. Il prodotto di alto livello che la maggior parte dei ricercatori ha in mente è una tecnologia che renderebbe la vita più facile ai tetraplegici. Ma ci sono solo circa 40.000 pazienti negli Stati Uniti con tetraplegia completa e meno con SLA avanzata. Ma alcuni pensano che la tecnologia possa avere applicazioni più ampie, come aiutare a riabilitare i pazienti colpiti da ictus. E alcune tecnologie di registrazione potrebbero essere utili per comprendere le malattie psichiatriche, come la depressione o il disturbo ossessivo compulsivo.

È possibile che il miglioramento delle interfacce cervello-computer comporti il ​​miglioramento non solo della tecnologia, ma anche del cervello delle persone che la utilizzano. A settembre, uno studio condotto dai ricercatori dell'Università del Minnesota ha scoperto che le persone che praticano yoga e meditazione a lungo termine possono imparare a controllare un computer con le loro menti in modo più rapido ed efficiente rispetto alle persone con poca o nessuna esperienza di yoga o meditazione. Come riportato da Science Daily all'epoca, lo studio ha coinvolto 36 partecipanti: 24 che avevano poco o niente esperienza di yoga o meditazione , e 12 che hanno avuto almeno un anno di esperienza nella pratica dello yoga o della meditazione almeno due volte a settimana per un'ora.

Entrambi i gruppi di partecipanti erano nuovi ai sistemi che utilizzano il cervello per controllare un computer, ed entrambi hanno partecipato a tre esperimenti di due ore in cui indossavano un berretto 'high tech, non invasivo' che rilevava l'attività cerebrale. È stato chiesto loro di spostare il cursore del computer sullo schermo immaginando i movimenti della mano sinistra o destra. I ricercatori hanno scoperto che i partecipanti con esperienza di yoga o meditazione avevano il doppio delle probabilità di completare il compito dell'interfaccia cervello-computer entro la fine di 30 prove e hanno imparato tre volte più rapidamente rispetto alle loro controparti per gli esperimenti con il movimento del cursore sinistra-destra .

Il ricercatore principale dello studio è stato Bin He, professore di ingegneria biomedica presso il College of Science and Engineering dell'Università del Minnesota e direttore dell'Istituto di ingegneria in medicina dell'Università, che ha attirato l'attenzione internazionale nel 2013, quando i membri del suo team di ricerca sono stati in grado di per controllare un robot volante con le loro menti. Tuttavia, hanno scoperto che non tutti possono imparare facilmente a controllare un computer con il cervello e molti non hanno avuto successo anche dopo più tentativi.

Il passo successivo per lui e il suo team di ricerca è studiare nel tempo un gruppo di partecipanti che praticano yoga o meditazione per la prima volta, al fine di vedere se la loro capacità di controllare l'interfaccia cervello-computer migliora. 'Il nostro obiettivo finale è aiutare le persone paralizzate o affette da malattie cerebrali a ritrovare la mobilità e l'indipendenza', ha affermato. 'Dobbiamo esaminare tutte le possibilità per migliorare il numero di persone che potrebbero trarre vantaggio dalla nostra ricerca'.

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