Un traguardo straordinario è stato raggiunto nel campo delle neuroscienze e della tecnologia assistiva: una donna, colpita da un ictus al tronco encefalico quasi vent’anni fa e privata della capacità di parlare, ha riacquistato la possibilità di esprimersi verbalmente in tempo reale. Questo risultato è stato ottenuto grazie a un innovativo sistema di interfaccia cervello-computer (BCI), sviluppato da ricercatori negli Stati Uniti, che analizza l’attività cerebrale della paziente e la traduce in parole sintetizzate.
Una svolta nella comunicazione grazie all’interfaccia cervello-computer
La capacità di comunicare attraverso la parola è una funzione fondamentale, spesso data per scontata. Tuttavia, per chi ha subito gravi danni neurologici, come ictus o sclerosi laterale amiotrofica (SLA), questa possibilità può essere irrimediabilmente compromessa. Le tecnologie di interfaccia cervello-computer rappresentano una speranza concreta per queste persone, offrendo loro la possibilità di comunicare nuovamente con il mondo esterno.
I precedenti sistemi di interfaccia cervello-computer presentavano un ritardo nella traduzione dei pensieri in parole, rendendo la comunicazione faticosa e poco naturale. Il nuovo sistema sviluppato dai ricercatori americani ha superato questo ostacolo, analizzando l’attività cerebrale in incrementi di soli 80 millisecondi e traducendola in una voce sintetizzata in tempo reale. Questo progresso rappresenta una svolta significativa, in quanto permette una comunicazione più fluida e naturale.
Il sistema si basa sull’impianto di elettrodi nel cervello della paziente, in grado di rilevare l’attività neurale associata alla produzione del linguaggio. I segnali elettrici vengono quindi elaborati da un software sofisticato, che li traduce in fonemi e parole. Infine, un sintetizzatore vocale riproduce le parole in forma udibile.
Il problema della latenza
I sistemi di interfaccia cervello-computer rappresentano una frontiera tecnologica promettente per restituire la capacità di comunicare a chi l’ha persa. Tuttavia, i metodi esistenti presentano ancora delle limitazioni significative che ostacolano una comunicazione fluida e naturale.
Uno dei principali ostacoli è la latenza, ovvero il ritardo tra il pensiero e la sua traduzione in parole. La maggior parte dei sistemi interfaccia cervello-computer richiede l’analisi di interi blocchi di testo prima di poter decifrare il significato, il che allunga notevolmente i tempi di risposta. Questo ritardo non solo rende la comunicazione innaturale, ma può anche generare frustrazione e disagio nell’utente. Come hanno sottolineato i ricercatori dell’Università della California di Berkeley e San Francisco: “Migliorare la latenza della sintesi vocale e la velocità di decodifica è essenziale per una conversazione dinamica e una comunicazione fluente”.
Oltre alla latenza nella decodifica, anche la sintesi vocale richiede tempo per essere riprodotta e compresa. Questo ulteriore ritardo contribuisce a rendere la comunicazione ancora più lenta e faticosa. Il team di ricerca guidato dall’ingegnere informatico Kaylo Littlejohn dell’Università della California, Berkeley, sta lavorando per ridurre al minimo questi ritardi, al fine di rendere la comunicazione tramite interfaccia cervello-computer più simile a una conversazione normale.
Un’altra sfida importante è rappresentata dalla necessità di addestrare il sistema interfaccia cervello-computer con i dati vocali dell’utente. La maggior parte dei metodi esistenti si basa sull’addestramento dell’interfaccia attraverso l’esecuzione di movimenti vocali espliciti. Tuttavia, per le persone che hanno perso la capacità di parlare da tempo o che hanno sempre avuto difficoltà, fornire dati sufficienti per l’addestramento può essere estremamente difficile. Questo problema richiede lo sviluppo di nuove tecniche di addestramento che non dipendano esclusivamente dall’esecuzione di movimenti vocali.
L’obiettivo è quello di sviluppare sistemi che consentano una comunicazione più naturale e intuitiva, con tempi di risposta minimi e una sintesi vocale di alta qualità. Per raggiungere questo obiettivo, è necessario superare gli ostacoli della latenza, della sintesi vocale e dell’addestramento personalizzato.
Superare gli ostacoli: un nuovo approccio di interfaccia cervello-computer
Per affrontare le sfide della latenza e della necessità di addestramento personalizzato, il team di ricerca ha adottato un approccio innovativo. Hanno addestrato una rete neurale flessibile e basata sull’apprendimento profondo sull’attività della corteccia sensomotoria di una partecipante di 47 anni, mentre lei “pronunciava” silenziosamente 100 frasi uniche da un vocabolario di poco più di 1.000 parole. Inoltre, hanno utilizzato una forma di comunicazione assistita basata su 50 frasi che utilizzano un insieme più ristretto di parole.
A differenza dei metodi precedenti, questo processo non richiedeva che la partecipante tentasse di vocalizzare, ma solo di pensare alle frasi nella sua mente. La decodifica da parte del sistema di entrambi i metodi di comunicazione è stata significativa, con un numero medio di parole al minuto tradotte quasi il doppio rispetto ai metodi precedenti. L’uso di un metodo predittivo in grado di interpretare continuamente al volo ha permesso al discorso della partecipante di fluire in modo molto più naturale, 8 volte più veloce rispetto ad altri metodi.
Grazie a un programma di sintesi vocale basato su registrazioni precedenti del suo discorso, la voce sintetizzata dal sistema sembrava persino la sua. Inoltre, eseguendo il processo offline, senza limitazioni di tempo, il team ha dimostrato che la sua strategia poteva persino interpretare segnali neurali che rappresentavano parole su cui non era stata deliberatamente addestrata.
Nonostante i risultati promettenti, i ricercatori hanno sottolineato che c’è ancora molto spazio per miglioramenti prima che il metodo possa essere considerato clinicamente valido. Sebbene il discorso fosse intelligibile, era ben al di sotto dei metodi che decodificano il testo. Considerando i progressi compiuti dalla tecnologia in pochi anni, c’è motivo di essere ottimisti sul fatto che anche chi non ha voce potrebbe presto comunicare liberamente grazie all’interfaccia cervello-computer.
La ricerca è stata pubblicata su Nature Neuroscience.
