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L'ingegnere dell'Università di Houston Jose Contreras-Vidal fa ricerche futuristiche, più strane della fantascienza. Ha sviluppato una "interfaccia cervello-macchina" per interpretare i segnali cerebrali e trasformarli in movimento. Con questa interfaccia, ha creato una mano bionica e un avatar del computer che sono controllati dalla mente dell'utente.
Ma il fulcro del suo lavoro è un esoscheletro controllato dal pensiero per aiutare le persone paralizzate a camminare. Negli ultimi anni, Contreras-Vidal ha lavorato con l'esoscheletro della parte inferiore del corpo REX, sviluppato da REX Bionics, con sede in Nuova Zelanda. L'esoscheletro è fatto per essere controllato con un joystick. Ma Contreras-Vidal e il suo team hanno adattato una versione da utilizzare con la loro interfaccia cervello-macchina. L'utilizzatore dell'esoscheletro indossa un cappuccio per elettrodo, con sensori sul cuoio capelluto che leggono l'attività elettrica nel cervello. Un algoritmo sviluppato da Contreras-Vidal e dal suo team "interpreta" le informazioni sul cervello e le traduce in movimento dell'esoscheletro. In altre parole, chi lo indossa pensa "muoviti, ginocchio sinistro" e l'algoritmo lo trasforma in azione. Questo può creare movimenti relativamente rapidi, poiché anche nelle persone non ferite ci vuole una frazione di secondo affinché le informazioni viaggino dal cervello al corpo.
"Ogni volta che pianifichiamo un movimento, l'informazione è lì prima di vedere il movimento", afferma Contreras-Vidal.
Numerosi ricercatori nel corso degli anni hanno aiutato le persone paralizzate a spostarsi utilizzando elettrodi impiantati nel cervello. Il sistema in attesa di brevetto di Contreras-Vidal è diverso perché non invasivo: gli utenti indossano e rimuovono il cappuccio dell'elettrodo a piacimento. Ciò è particolarmente utile nel caso di pazienti che necessitano solo temporaneamente dell'esoscheletro, come le vittime di ictus che potrebbero usare l'esoscheletro per riguadagnare la capacità di camminare, quindi imparare a camminare senza aiuto. (Una squadra guidata dal Brasile ha sviluppato un esoscheletro controllato dal cervello non invasivo per consentire a un paraplegico di dare il via alla Coppa del Mondo 2014; la tuta, tuttavia, non ha permesso all'utente di camminare senza aiuto).
L'esoscheletro controllato dal pensiero è il risultato di anni di lavoro sulla decodifica del linguaggio del cervello. All'università di Houston, Contreras-Vidal dirige il laboratorio per i sistemi di interfaccia cervello-macchina non invasivi, che impiega un team di ingegneri, neuroscienziati, medici, esperti di computer e persino artisti. Prima di Houston, ha diretto il Laboratory of Neural Engineering and Smart Prosthetics presso l'Università del Maryland, dove ha lavorato allo sviluppo di protesi controllate dal cervello per gli amputati. Gli algoritmi utilizzati per tradurre i pensieri in movimento vengono costantemente migliorati, afferma Contreras-Vidal, in quello che descrive come un "processo creativo".
In questo momento, il suo laboratorio sta lavorando a diversi progetti utilizzando l'interfaccia cervello-macchina. Un progetto guarda allo sviluppo neuro-motorio nei bambini usando il cappuccio dell'elettrodo; il team spera che una migliore comprensione di questo processo possa eventualmente aiutare i bambini con disturbi dello sviluppo neurologico, come l'autismo. Un altro cerca di capire cosa succede nel cervello quando le persone sperimentano l'arte, adattando i frequentatori di musei con un cappuccio di elettrodo mentre guardano un'installazione d'arte.
L'esoscheletro controllato dal cervello è attualmente in fase di sperimentazione. È già stato utilizzato in numerosi scenari di vita reale; un uomo quadriplegico britannico ha recentemente camminato usando l'esoscheletro in una conferenza in Italia.
Contreras-Vidal e diversi suoi studenti dimostreranno l'esoscheletro al prossimo Innovation Festival dello Smithsonian. Il festival, una collaborazione tra Smithsonian Institution e US Patent and Trademark Office, si terrà il 26 e 27 settembre al National Museum of American History.
"Siamo molto entusiasti di andare dallo Smithsonian, perché penso che gli scienziati debbano parlare con il pubblico, in particolare con i bambini", afferma Contreras-Vidal. "Devono essere esposti a questo tipo di tecnologia per vedere che si tratta davvero di creare e innovare".
Come se l'esoscheletro simile a un robot non fosse abbastanza impressionante per i bambini e gli altri frequentatori del festival, Contreras-Vidal e il suo team consentiranno ai visitatori di visualizzare le proprie onde cerebrali su uno schermo indossando cappucci per elettrodi. Contreras-Vidal descrive l'accordatura delle onde cerebrali di una persona come "ascolto della neurosfonia".
"Mi piace vedere il cervello come una sinfonia, in cui tutte le aree principali fanno parte dell'ensemble e ogni giocatore di questo ensemble è responsabile di alcuni aspetti del loro comportamento", afferma. "Per riprodurre questa musica devono coordinarsi".
La ballerina Becky Valls si esibisce indossando il cappuccio dell'elettrodo di Contreras-Vidal (Università di Houston) La sovrapposizione di arte e scienza è una parte importante del lavoro di Contreras-Vidal. In passato, ha collegato artisti per scrutare i processi creativi dei loro cervelli. Più recentemente ha lavorato con ballerini. In un progetto chiamato Your Brain on Dance, ha dotato i ballerini di cappucci per elettrodi e ha mostrato le onde cerebrali risultanti su uno schermo mentre si esibivano. Ritiene che alla fine questo tipo di indagine sulle basi neurali del movimento potrebbe portare a una nuova comprensione del Parkinson e di altre malattie cerebrali.
All'Innovation Festival, i visitatori saranno trattati per una tale esibizione di danza.
"Gli scienziati possono imparare molto dall'arte e viceversa", afferma Contreras-Vidal. "Spero che questo catturi l'immaginazione delle persone, soprattutto dei bambini."
Il Festival dell'innovazione si terrà presso il National Museum of American History il 26 e 27 settembre, tra le 10 e le 17. L'evento, organizzato dalla Smithsonian Institution e dall'Ufficio brevetti e marchi degli Stati Uniti, presenterà esempi di ingegnosità americana sviluppata da indipendenti inventori, istituzioni accademiche, società e agenzie governative.
