Covert orienting of visuospatial attention in a brain-computer interface for communication

1. Introduzione Farwell e Donchin (1988) per primi hanno dimostrato la possibilità che l’uomo ha di comunicare usando i potenziali evento correlati (ERP; e.g., P300), senza bisogno di usare alcun muscolo per tale fine. Questa scoperta ha offerto nuove prospettive per la comunicazione ed il controllo di periferiche in pazienti affetti da gravi disabilità motorie o completamente paralizzati, come nel caso dei pazienti affetti da sclerosi laterale amiotrofica (SLA), negli stadi più avanzati di malattia. L’approccio multidisciplinare che consente di tradurre segnali cerebrali direttamente in comandi per controllare computer o protesi meccaniche è chiamato brain-computer interface (BCI). Negli ultimi vent’anni un’importante sfida scientifica è stata quella di sviluppare una BCI efficace, affinché potesse essere usata nella pratica clinica con i pazienti. I progressi più rilevanti fatti finora riguardano principalmente la registrazione e l’elaborazione dei segnali cerebrali, grazie ad algoritmi sempre più potenti ed efficaci nella categorizzazione dei biosegnali. Minore attenzione è stata posta, invece, nell’investigare il ruolo dei meccanismi cognitivi che sottendono l’uso di una BCI. Nel presente studio è stata indagata la potenzialità dei partecipanti di modulare specifiche onde cerebrali e, di conseguenza, l’efficacia di un sistema BCI guidato dagli ERP, attraverso l’uso di diversi processi di orientamento implicito dell’attenzione visuospaziale (Posner, 1980). A tale scopo sono state progettate e testate tre nuove interfacce visive per controllare il movimento di un cursore su un monitor. 2. Esperimento 1 Nel primo esperimento è stato testato l’effetto dell’orientamento implicito dell’attenzione visuospaziale in partecipanti sani, il cui scopo era di controllare il movimento di un cursore con una BCI guidata da ERP, per raggiungere specifici bersagli. È stato confrontato l’uso di tre interfacce, ciascuna delle quali prevedeva l’utilizzo di una specifica modalità dell’orientamento implicito dell’attenzione visuospaziale (esogeno vs. endogeno). Dodici partecipanti adulti hanno eseguito 20 sessioni, con ciascuna delle tre interfacce. Simultaneamente, gli ERP associati a ciascun trial di ogni interfaccia erano registrati e classificati da un algoritmo ad hoc. Ogni volta che gli ERP associati alla direzione della posizione bersaglio erano correttamente classificati, il cursore era mosso di un passo verso la posizione bersaglio. I partecipanti hanno ottenuto un’accuratezza migliore nel controllo del cursore con l’interfaccia che prevedeva l’orientamento endogeno dell’attenzione visuospaziale rispetto alle due interfacce che prevedevano l’orientamento esogeno. 3. Esperimento 2 Nel secondo studio è stata eseguita una classificazione offline degli ERP registrati nell’Esperimento 1, con lo scopo di verificare se gli effetti ottenuti nell’Esperimento 1 fossero indipendenti dal tipo di algoritmo di classificazione utilizzato. La classificazione online dei segnali cerebrali avveniva attraverso l’analisi delle componenti indipendenti (ICA), un’estrazione di 78 caratteristiche stabilite a priori del segnale, e la loro categorizzazione attraverso un algoritmo matematico di tipo lineare (support vector macchine: SVM). La riclassificazione offline è stata eseguita per mezzo di un algoritmo genetico (genetic algorithm: GA), che rilevava ad personam le caratteristiche significative del segnale, le quali, infine, venivano categorizzate attraverso un classificatore logistico. Il metodo di classificazione offline nell’Esperimento 2 ha confermato l’effetto ottenuto nell’Esperimento 1. Questi risultati sono stati confermati anche dalle analisi statistiche eseguite sui dati neurofisiologici. Inoltre, le medie di accuratezza più alte e la minore variabilità associate al sistema di classificazione offline sembrano offrire potenziali miglioramenti dell’efficacia dell’uso in tempo reale della nostra BCI. 4. Esperimento 3 Alla luce dei risultati riportati negli Esperimenti 1 e 2, è stata testata l’efficacia di un’interfaccia che prevedeva l’uso dell’orientamento esogeno dell’attenzione visuospaziale e di un’altra che prevedeva l’uso dell’orientamento endogeno, con pazienti affetti da SLA. Dieci pazienti con SLA hanno eseguito 16 sessioni con ciascuna delle due interfacce. Anche se i pazienti hanno ottenuto un’accuratezza di circa 70% con entrambe le interfacce, è stata registrata una maggior differenza tra gli ERP target e quelli non-target con l’uso dell’interfaccia “endogena”. Questi risultati supportano l’ipotesi che l’interfaccia che usa l’orientamento endogeno dell’attenzione visuospaziale consenta un miglior controllo del sistema BCI, con conseguenti vantaggi comunicativi per i pazienti affetti da SLA. 5. Conclusioni Le patologie neurologiche che colpiscono il sistema motorio possono intaccare i normali canali di comunicazione, come nel caso di pazienti affetti dal SLA. Questa malattia può sfociare nello stato denominato sindrome locked-in (LIS), una condizione clinica in cui i pazienti sono completamente paralizzati ma mantengono intatta la loro consapevolezza. Nella condizione di LIS, un paziente non può comunicare, non potendo così esprimere la propria opinione riguardo alle scelte etico-giuridiche legate alla sua condizione clinica. Le BCI rappresentano una potenziale soluzione ai problemi comunicativi dei pazienti nella LIS. Negli ultimi vent’anni di ricerca scientifica sulle BCI è stata rivolta grande attenzione alle componenti tecnologiche implicate nella registrazione del segnale cerebrale e nella sua classificazione in comandi per controllare specifiche periferiche. Viceversa, minor attenzione è stata posta alle caratteristiche dell’utente nell’utilizzo delle BCI, in particolar modo riguardo alle componenti cognitive coinvolte. Negli esperimenti riportati nella presente tesi, abbiamo testato l’efficacia di diverse interfacce, ciascuna delle quali utilizzava una specifica modalità dell’orientamento implicito dell’attenzione visuospaziale (endogena o esogena). I risultati di questi esperimenti supportano l’ipotesi che è possibile modulare l’efficacia di una BCI guidata da ERP attraverso l’implementazione di interfacce visive che utilizzano diversi principi dell’orientamento implicito dell’attenzione visuospaziale. Tale risultato è di particolare rilevanza dal punto di vista clinico per i pazienti affetti da SLA, negli stadi terminali di malattia, cioè quando entrano nella condizione clinica di LIS. In particolare nell’Esperimento 3 è riportato come l’ampiezza degli ERP sia diversamente modulata nelle due interfacce testate e questo fatto può giocare un ruolo rilevante nello sviluppo di un efficace sistema BCI che permetta la comunicazione a pazienti affetti da SLA nella condizione di completa LIS. I nostri risultati portano evidenze di come l’implementazione dei principi della psicologia cognitiva nello sviluppo di una BCI ne possano modulare l’efficacia, e questo a vantaggio dei pazienti affetti da gravi disabilità motorie. In conclusione, un’efficace applicazione dei principi cognitivi nello sviluppo delle BCI può avere l’effetto rilevante di “dare una voce” a pazienti in stato di completa LIS