Computer controllati con il pensiero sempre più vicini: i nuovi micro-sensori cerebrali si installano fra i capelli

Le interfacce cervello-computer (BCI) rappresentano una frontiera tecnologica fondamentale per la comunicazione bidirezionale tra esseri umani e macchine. Tuttavia, fino ad oggi, i modelli tradizionali hanno presentato significative limitazioni: sensori rigidi vulnerabili al movimento, impedenza pelle-elettrodo inconsistente e componenti elettronici ingombranti che ne riducono l'usabilità continua e la portabilità.

Un recente studio pubblicato su PNAS ha introdotto una soluzione potenzialmente rivoluzionaria: micro-sensori cerebrali progettati per controllare gli artefatti da movimento, inserendosi delicatamente tra i follicoli piliferi del cuoio capelluto. La tecnologia, sviluppata da un team guidato da ricercatori del Georgia Tech e dell'Università di Inha, utilizza un array di microelettrodi a basso profilo con un polimero altamente conduttivo che si inserisce perfettamente negli spazi tra i follicoli piliferi. La nuova configurazione offre una cattura del segnale neurale di alta fedeltà per un periodo fino a 12 ore, mantenendo la più bassa densità di impedenza di contatto tra gli articoli scientifici pubblicati in questo campo.

Micro-sensori cerebrali tra i capelli per gestire i dispositivi elettronici

I micro-sensori sono stati realizzati utilizzando una resina dentale come materiale strutturale, rivestita con PEDOT:Tos, un polimero conduttivo che migliora significativamente le prestazioni elettriche. La struttura degli elettrodi è stata attentamente progettata per adattarsi agli spazi tra i follicoli piliferi, con una lunghezza dell'ago di 450 μm, sufficiente per superare lo strato corneo della pelle senza causare dolore o disagio. Un aspetto notevole di questa tecnologia è la sua capacità di mantenere prestazioni elevate anche durante movimenti intensi: i test hanno dimostrato che il sistema BCI implementato, che rileva i potenziali evocati visivamente in stato stazionario (SSVEP), offre un'accuratezza del 96,4% nella classificazione del segnale con un algoritmo senza addestramento, persino durante movimenti importanti del soggetto.

La dimensione complessiva dell'elettronica integrata è di soli 17x17 mm, includendo un convertitore analogico-digitale, un microprocessore, un'antenna e un regolatore di potenza. Una batteria ai polimeri di litio (3,7 V, 110 mAh) con un interruttore a scorrimento e una porta di ricarica magnetica circolare è collegata al regolatore di potenza, garantendo un'autonomia di circa 11 ore e 20 minuti con registrazione continua del segnale. I ricercatori hanno condotto test approfonditi per valutare le prestazioni di acquisizione del segnale EEG utilizzando i micro-sensori rispetto agli elettrodi convenzionali. Sei volontari sani hanno partecipato a esperimenti in cui dovevano stare fermi, camminare e correre mentre guardavano dritto o con gli occhi chiusi. Due micro-sensori e due elettrodi convenzionali a coppa d'oro sono stati posizionati in punti specifici del cuoio capelluto secondo il sistema internazionale 10-20.

I risultati hanno mostrato che i micro-sensori hanno mantenuto un rapporto segnale-rumore (SNR) significativamente più alto rispetto agli elettrodi convenzionali durante tutte le attività, in particolare durante la corsa. Questa capacità di resistere agli artefatti da movimento rappresenta un miglioramento cruciale per le applicazioni BCI nel mondo reale. Una dimostrazione pratica del sistema ha evidenziato la sua capacità di consentire videochiamate basate su realtà aumentata con controlli hands-free utilizzando segnali cerebrali, trasformando la comunicazione digitale. I partecipanti sono stati in grado di controllare l'interfaccia semplicemente concentrandosi su stimoli visivi specifici che lampeggiavano a frequenze diverse, presentati tramite occhiali AR.

La biocompatibilità dei materiali utilizzati è stata verificata attraverso test di citotossicità in vitro, confermando che sia la resina dentale post-trattata che il rivestimento PEDOT:Tos non presentano effetti tossici significativi sulle cellule. La stabilità del rivestimento PEDOT:Tos sulla superficie della resina dentale è stata valutata sia in condizioni asciutte che bagnate, dimostrando un'eccellente adesione e resistenza.

Come sottolineato nello studio, i micro-sensori cerebrali potrebbero aprire la strada all'uso pratico e continuo delle BCI nella vita quotidiana, migliorando l'integrazione degli ambienti digitali e fisici. Le applicazioni potenziali spaziano dall'assistenza per persone con disabilità motorie al controllo di dispositivi smart home, fino a nuove forme di interazione con ambienti di realtà aumentata e virtuale. La ricerca è stata sostenuta da varie istituzioni, tra cui la NSF Research Traineeship, il WISH Center del Georgia Tech Institute for Matter and Systems, e il Ministero del Commercio, dell'Industria e dell'Energia in Corea. Hodam Kim e W.-H. Yeo, due degli autori principali, sono inventori di una domanda di brevetto in attesa relativa a questo lavoro presso il Georgia Tech. Gli sviluppi futuri potrebbero concentrarsi sull'ulteriore miniaturizzazione dell'elettronica, sull'estensione della durata della batteria e sull'ampliamento delle applicazioni pratiche di questa tecnologia e, con il continuo perfezionamento, i micro-sensori cerebrali potrebbero diventare uno strumento standard per l'interazione uomo-macchina, rendendo le interfacce cervello-computer una parte integrante della nostra esperienza tecnologica quotidiana.