Le scimmie usano le menti per controllare le braccia dell'avatar

La maggior parte di noi non ci pensa due volte quando estendiamo le braccia per abbracciare un amico o spingere un carrello della spesa: le nostre membra lavorano insieme senza soluzione di continuità per seguire i nostri comandi mentali. Per i ricercatori che progettano arti protesici controllati dal cervello per le persone, tuttavia, questo movimento coordinato delle braccia è una sfida tecnica scoraggiante. Un nuovo studio che mostra che le scimmie possono muovere due arti virtuali con solo la loro attività cerebrale è un passo importante verso il raggiungimento di questo obiettivo, dicono gli scienziati.

Il cervello controlla il movimento inviando segnali elettrici ai nostri muscoli attraverso le cellule nervose. Quando le cellule nervose che si uniscono agli arti sono danneggiate o viene amputato un arto, il cervello è ancora in grado di produrre quei segnali che inducono il movimento, ma l'arto non può riceverli o semplicemente non esiste. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno lavorato per creare dispositivi chiamati interfacce cervello-macchina (BMI) in grado di raccogliere questi segnali elettrici interrotti e controllare i movimenti di un cursore del computer o una protesi reale o virtuale.

Finora, il successo del BMI negli esseri umani è stato in gran parte limitato al movimento di singole parti del corpo, come una mano o un braccio. L'anno scorso, ad esempio, una donna paralizzata dal collo in giù per 10 anni ha comandato a un braccio robotico di sollevare e sollevare un pezzo di cioccolato alla bocca solo a pensarci. Ma "nessun dispositivo funzionerà mai per le persone a meno che non ripristini i comportamenti bimanuali", dice il neuroscienziato Miguel Nicolelis alla Duke University di Durham, Carolina del Nord, autore principale dell'articolo. "Devi usare entrambe le mani e le braccia per i compiti più semplici. ”

Nel 2011, Nicolelis ha fatto ondate annunciando su The Daily Show che sta sviluppando a "esoscheletro" robotico controllato dal pensiero che permetterà alle persone paralizzate di camminare di nuovo . Aumentando ulteriormente la posta in gioco, ha promesso che la tuta robotica consentirà a una persona paralizzata di calciare un pallone da calcio durante la cerimonia di apertura dei Mondiali del Brasile 2014. (Nicolelis è brasiliano e la sua ricerca è in parte finanziata dal governo della nazione).

Tale impresa richiederà la decodifica dei complessi segnali neurali che coordinano due gambe mentre camminano insieme e mantengono una persona in posizione verticale. Ora, addestrando con successo due scimmie per controllare le braccia virtuali usando solo le loro menti, la squadra di Nicolelis si è avvicinata a questo obiettivo. Il nuovo esperimento ha coinvolto due scimmie, un maschio e una femmina. Prima che iniziasse, ogni scimmia aveva gli elettrodi impiantati nell'emisfero destro e sinistro del cervello, che registravano l'attività di un massimo di 500 neuroni che agivano insieme - il più alto numero di neuroni ancora usati in un tale esperimento, dice Nicolelis. Il compito dell'animale era quello di controllare il movimento di due braccia dell'avatar sul monitor di un computer: per ottenere una ricompensa di succo di frutta, doveva posizionare entrambe le mani su due cerchi e tenerli lì per 100 millisecondi, come dimostrato nel video sopra. Un algoritmo informatico ha elaborato l'attività cerebrale della scimmia, puntando su modelli di neuroni che sparavano mentre imparava a svolgere il compito.

La scimmia femmina, chiamata scimmia C, per prima cosa imparò come ottenere il succo spostando i joystick con le sue vere mani e braccia - mentre manipolava i joystick, le braccia dell'avatar destro e sinistro facevano ciò che desiderava. Dopo aver praticato questo durante regolari sessioni da 20 a 40 minuti nel corso di un anno, è stata legata a una sedia imbottita in modo che non potesse muovere le proprie braccia o mani e addestrata a controllare le braccia dell'avatar semplicemente pensando. Dopo settimane di pratica, è stata in grado di completare l'attività oltre il 75% delle volte , gli scienziati riferiscono oggi a Scienza della medicina traslazionale .

Poiché una persona paralizzata o un amputato non può necessariamente esercitare un'attività utilizzando i joystick, il passo successivo era determinare se l'osservazione da sola potesse insegnare l'IMC. Alla scimmia M, un maschio, non era permesso usare i joystick o muovere le braccia in nessun punto dell'esperimento, semplicemente osservava il compito che veniva eseguito. Impiegò più tempo per imparare, ma la scimmia M imparò anche a controllare le braccia virtuali usando solo i suoi pensieri. Entrambe le performance degli animali sono migliorate nel tempo e i ricercatori hanno notato che i loro modelli di sparo neuronale sono cambiati mentre ciò accadeva, suggerendo che il loro cervello si stava adattando ai dispositivi BMI. Questo potrebbe essere perché le scimmie sono venute a considerare le braccia virtuali come parte del loro stesso corpo, suggerisce Nicolelis. "Gli animali incorporano letteralmente l'avatar come se fosse l'avatar."

La tecnologia di base che Nicolelis e colleghi hanno usato per estrarre le istruzioni per il movimento dal guazzabuglio dei segnali del cervello scimmia non è nuova, afferma Jose Contreras-Vidal, un ingegnere biomedico presso l'Università di Houston, in Texas. Il vero progresso dello studio, dice, è che il team è stato in grado di capire quali neuroni dovevano registrare per controllare due braccia che lavoravano insieme. Sebbene si possa supporre che sia possibile semplicemente combinare l'attività neurale da due braccia che agiscono in modo indipendente, lo studio mostra che le cellule agiscono in modo diverso quando coordinano i movimenti di due arti di quanto facciano quando istruiscono separatamente un arto o l'altro, dice . Questo è il primo studio per estrarre e utilizzare questa informazione complessa per coordinare i movimenti del braccio in tempo reale, afferma Contreras-Vidal.

Sebbene sia d'accordo sul fatto che il nuovo studio sia forte, Andrew Schwartz, un neurobiologo dell'Università di Pittsburgh, in Pennsylvania, pensa che gli scienziati possano fare di meglio. Anche se il compito delle scimmie era piuttosto semplice, ha avuto solo un tasso di successo di circa il 45% nel complesso, osserva. "Non vedo l'ora di ottenere prestazioni più elevate e percentuali di successo e movimenti naturali più realistici".

Nicolelis potrebbe aver dimostrato che le scimmie possono imparare a usare queste braccia dell'avatar per completare un compito semplice, ma non è chiaro che lo stesso tipo di allenamento funzionerà per le attività più complesse che gli umani devono svolgere, avvertenze Contreras-Vidal. "Questo è un primo passo."

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