Laboratorio di Immagini Neuroelettriche e BCI

Il Laboratorio di Immagini Neuroelettriche e Interfacce Cervello-Computer (Brain-Computer Interface - BCI) integra competenze di neurofisiologia clinica e bioingegneria. L’obiettivo ultimo è di sviluppare, implementare e validare tecniche avanzate di analisi del segnale elettroencefalografico (EEG) ad alta risoluzione, per lo studio dei correlati neurali di funzioni cerebrali e dei processi che sottendono il loro recupero post-lesionale. Il Laboratorio è altresì specializzato nello sviluppo di nuovi approcci neuroriabilitativi supportati da tecnologie come le interfacce cervello-computer (BCI).

Tecniche e Modelli di Analisi e Intepretazione del Segnale EEG

Un primo gruppo di ricerche condotte dal Laboratorio mira a sviluppare e implementare tecniche di modellizzazione anatomo-funzionale del segnale EEG al fine di migliorare la definizione delle complesse relazioni spazio-temporali dei segnali elettrici cerebrali. Le tecniche includono

• algoritmi per la stima delle sorgenti di scalpo e corticali del segnale EEG (ad alta risoluzione) per l’interpretazione delle relazioni che intercorrono tra l’attività elettrica cerebrale e i siti anatomici dove essa si genera;
• strumenti matematici in grado di restituire informazioni quantitative e sintetiche circa l’architettura organizzativa (modello di connettività effettiva) con cui avviene lo scambio di informazioni tra le diverse aree cerebrali sia a livello di singolo individuo sia tra due o più individui simultaneamente (EEG Hyperscanning).

La validazione di tali tecniche si articola all'interno di specifici protocolli sperimentali per lo studio di alcune funzioni motorie e cognitive, che includono altresì tecniche di neuromodulazione non invasiva attraverso la stimolazione magnetica (rTMS) ed elettrica (tDCS) transcranica, il monitoring di altri biosegnali (EMG, GSR, HRV etc.) e del carico cognitivo (workload).

Le tecniche descritte permettono di estrarre innovative misure della dinamica spazio-temporale dei fenomeni di plasticità con cui il cervello si adatta a condizioni ambientali mutevoli (apprendimento, decision making; interazione sociale) o a condizioni di patologia del sistema nervoso (recupero funzionale motorio e/o cognitivo). Questa seconda applicazione è molto promettente per la valutazione dell’efficacia di strategie neuroriabilitative convenzionali e di nuovo sviluppo.

Brain-Computer Interface (BCI)

Nell’ambito delle interfacce cervello-computer, l’attività di ricerca del Laboratorio mira a favorire la traslazione delle BCI da prototipi di ricerca a strumenti di supporto per la neuroriabilitazione. Le BCI basate su segnali EEG e/o ibride (segnali EEG e EMG) sono attualmente oggetto di sviluppo e di validazione in esperimenti clinici con due differenti applicazioni.

La prima riguarda l’Assistive Technology, che supporta la comunicazione e il controllo dell’ambiente domestico. L’obiettivo è favorire l’autonomia e l’inclusione sociale di persone con grave disabilità motoria, disabilità dovuta a patologie neurodegenerative, neuromuscolari e traumi cranici. In questo ambito il Laboratorio svolge un ruolo innovativo nell'integrazione della tecnologia BCI con piattaforme modulari per l’accesso ad ausili già esistenti. Le metriche di valutazione della tecnologia BCI seguono i principi dello User Centered Design, sia in tema di fruibilità sia in relazione alle abilità residue dell'utente, motorie e cognitive. Tecniche avanzate di processamento di bio-segnali sono implementate con la finalità di migliorare l’estrazione dei segnali di controllo dell'interfaccia BCI e l'accuratezza del controllo in tempo reale (feature extraction, classification accuracy).

La seconda applicazione di tecnologie BCI è finalizzata al potenziamento e al supporto di esercizi riabilitativi motori (dell’arto superiore) e cognitivi. In questi esercizi il ruolo delle interfacce-cervello-computer è duplice. Da un lato, stimolano il paziente a un coinvolgimento attivo nello stesso esercizio. Dall’altro, è reso disponibile al terapista uno strumento di monitoraggio in tempo reale dell’attività cerebrale, utile a valutare la corretta esecuzione degli esercizi riabilitativi e la qualità dei processi di riorganizzazione del cervello in risposta al trauma subito. Le tecniche BCI vengono in particolare sperimentate dal Laboratorio nella neuroriabilitazione di pazienti colpiti da ictus.