Movement-Related Desynchronization in EEG-based Brain-Computer Interface applications for stroke motor rehabilitation

L'identificazione e la quantificazione in tempo reale dei correlati cerebrali del movimento e' uno degli aspetti piu' critici nell'ambito delle cosiddette Brain-Computer Interface (BCI), ovvero quelle applicazioni in cui un individuo, dopo uno specifico percorso di apprendimento, impara a controllare un computer (o un altro dispositivo) tramite la modulazione volontaria della sua attivita' cerebrale, con lo scopo finale di trarre vantaggio dall'utilizzo dell'apparecchiatura cosi' controllata. La BCI e' solo uno delle molteplici tecniche di riabilitazione motoria oggigiorno disponibili. Indipendentemente dalla specifica tecnica scelta, il metodo riabilitativo mira a recuperare le funzionalita' del cosiddetto sistema sensorimotorio, quel complesso di aree corticali e strutture sotto-corticali che permette ad un individuo di ricevere impulsi somatosensoriali dal mondo esterno, di elaborare la risposta motoria piu' opportuna e realizzarla grazie agli attuatori finali del movimento rappresentati dai muscoli. Per perseguire questo obbiettivo, la maggior parte delle tecniche riabilitative, ivi compresa la BCI, pongono grande attenzione alla promozione e sfruttamento di quei processi spontanei che il cervello costantemente impiega per svolgere le sue attivita', adattarsi a nuove condizioni ambientali e anche cercare di recuperare le abilita' perse a seguito di un evento dannoso quale un ictus. Questi fenomeni vengono generalmente riassunti nel termine neuroplasticita' e sono stati paradossalmente sfruttati per anni nella pratica clinica, ma solo recentemente sono diventati materia di rigorosi e approfonditi studi scientici portati avanti da neuroscienziati provenienti da ogni tipo di formazione (neurologi, neurofisiologi, biologi, ingegneri, neuropsicologi, ...). Nel particolare contesto della riabilitazione motoria che ambisce essenzialmente a promuovere fenomeni di (ri-)apprendimento motorio da parte del paziente colpito da ictus, la letteratura ha fermamente indicato il condizionamento operante come la strategia piu' efficace per favorire i processi di plasticita' corticale e, di conseguenza, il recupero, seppur parziale, della motricita'. Il condizionamento operante si applica tramite la ripetitiva associazione di un comportamento corretto (scorretto) effettuato dal soggetto e uno stimolo gratificante (penalizzante) dato contestualmente o in un tempo appena successivo all'esecuzione del comportamento. Sfruttando il fondamentale meccanismo di apprendimento del cervello per prove ed errori, esso impara a utilizzare il comportamento corretto per svolgere il compito richiesto. Tale comportamento corretto e', in questo caso, lo sfruttamento di risorse ridondanti prima dell'ictus ma ancora sane dopo l'evento per controllare le funzioni motorie rimaste indebolite o completamente perse a seguito del danno cerebrale. Data la fondamentale importanza della contingenza tra l'attivita' cerebrale del paziente coinvolto nell'esperimento e lo stimolo di feedback, un robusto algoritmo di elaborazione del segnale cerebrale si rende fortemente necessario. In questo lavoro di tesi e' stata analizzata una particolare applicazione BCI per la riabilitazione motoria di pazienti lievemente o moderatamente aetti da emiparesi dovuta a ictus e sono stati proposti degli algoritmi con la relativa soluzione software per la realizzazione ottimale della strategia di apprendimento operante durante il recupero di un movimento di raggiungimento. Il vincolo principale da considerare per ottenere questo tipo di risultato e' la possibilita' di identificare e quanticare il correlato neurofisiologico legato al movimento, la cosiddetta desincronizzazione movimento correlata, in tempo reale durante l'esecuzione del movimento da parte del soggetto. Nell'ottica del condizionamento operante, un dispositivo haptico inserito nel sistema funge da feedback positivo che aiuta il paziente a completare il movimento nel solo caso in cui venga riconosciuta la desincronizzazione. In caso contrario, il soggetto non riceve alcun feedback o il suo movimento viene reso piu' difficile. Dopo un primo capitolo introduttivo sul sistema sensorimotorio arricchito con alcune informazioni riguardanti la particolare patologia in questione, il secondo capitolo introduce gli elementi fondamentali della piattaforma sperimentale utilizzata, ovvero l'elettroencefalogramma (EEG) e la BCI nella sua accezione generale, accennando anche ai maggiori successi in questo ambito delle ICT applicate alla medicina riabilitativa. Nel capitolo 3 viene descritta la particolare piattaforma BCI basata su EEG menzionata sopra e nei capitoli 4 e 5 vengono presentate ampiamente le analisi, le procedure e i risultati sviluppati ed ottenuti in questi anni di studio. In particolare, nella prima parte del capitolo 4 viene illustrato l'algoritmo con cui e' possibile identificare e rimuovere in tempo reale un particolare evento di disturbo che puo' verificarsi durante la registrazione EEG, il cosiddetto artefatto electrode pop dovuto al temporaneo sollevamento di un elettrodo che causa abnormi valori negativi nelle tracce EEG. Una volta rimosso questo tipo di eventp, il segnale viene filtrato e nella seconda parte del capitolo 4 viene presentata un'esaustiva analisi dell'energia delle tracce EEG acquisite durante la registrazione dell'esperimento di cui sopra in soggetti sani di controllo e in alcuni pazienti reduci da ictus. Inoltre, viene suggerita una versione modificata del piu' noto metodo di quantificazione della desincronizzazione fornito da Pfurtscheller e colleghi a partire dagli anni '70 i cui risultati promettenti sono forniti e discussi nel capitolo finale della tesi. La tesi si conclude con una breve sezione dedicata alle prospettive future di applicazione della piattaforma con l'integrazione delle soluzioni software apportate da questa tesi e alle questioni ancora aperte da risolvere al fine di ottimizzare il sistema BCI in tutti i suoi aspetti in modo da realizzare nel modo piu efficace il condizionamento operante e promuovere quei processi spontanei che sottostanno al recupero funzionale della motricita'.