Le interfacce cervello-computer possono restituire alle persone paralizzate una parte della loro capacità di movimento, controllando gli esoscheletri. Tuttavia, i segnali di controllo più complessi non possono ancora essere letti dalla superficie della testa, perché i sensori convenzionali non sono abbastanza sensibili per questo. Un consorzio composto da Fraunhofer IAF, Charité - Universitätsmedizin Berlin, Università di Stoccarda e partner industriali ha raccolto questa sfida: Nel recente progetto faro del BMBF "NeuroQ", i partner del progetto stanno sviluppando sensori quantistici altamente sensibili basati sul diamante, che consentiranno alle persone paralizzate di controllare in modo più preciso gli esoscheletri neurali. 

Per le persone che non sono in grado di muovere le mani o le gambe a causa di una lesione del midollo spinale, di un ictus o di un'altra malattia, ad esempio, le interfacce cervello-computer (BCI) offrono una grande speranza: Queste interfacce cervello-computer permettono di controllare un dispositivo utilizzando solo l'attività cerebrale - ad esempio, un esoscheletro può essere controllato semplicemente immaginando il movimento. Le BCI offrono quindi alle persone paralizzate la possibilità di riacquistare il controllo su parte della loro capacità di movimento.

Un paziente prova un'interfaccia cervello-computer sviluppata dalla Charité per controllare una mano esoscheletrica.

Le BCI, che misurano l'attività cerebrale dalla superficie della testa, hanno il vantaggio di risparmiare ai pazienti una complessa e rischiosa procedura chirurgica al cervello. "Abbiamo già sviluppato un sistema BCI non invasivo che consente alle persone con paraplegia grave di afferrare oggetti di uso quotidiano modificando arbitrariamente le loro onde cerebrali", riferisce il Prof. Dr. Surjo R. Soekadar, Professore Einstein di Neurotecnologia Clinica alla Charité, aggiungendo: "Nonostante i notevoli progressi compiuti, tuttavia, non è stato ancora possibile controllare movimenti complessi della mano con un tale sistema non invasivo". L'intenzione del movimento può essere riconosciuta, ma non esattamente il movimento da eseguire. Per raggiungere questo obiettivo, la sensibilità dei sensori dovrebbe essere aumentata in modo significativo. 

I sensori quantistici misurano le onde cerebrali

Nove partner hanno ora assunto questo compito e hanno lanciato il progetto "Magnetometri a soglia laser per interfacce di comunicazione neuronale", o in breve "NeuroQ". Nel progetto, che è finanziato dal Ministero Federale Tedesco dell'Istruzione e della Ricerca (BMBF), i partner del progetto stanno sviluppando sensori quantistici così sensibili da poter misurare i più piccoli campi magnetici generati dalle onde cerebrali. Questi magnetometri quantistici saranno integrati in un sistema BCI e consentiranno così alle persone paralizzate di controllare un esoscheletro manuale in modo molto più preciso rispetto a quanto avviene attualmente.

I campi magnetici forniscono segnali più chiari

Nelle BCI non invasive, finora l'attività neuronale è stata misurata principalmente con campi elettrici. La misurazione dei campi magnetici presenta notevoli vantaggi: "I campi magnetici penetrano nella pelle e nel cranio senza distorsioni e quindi forniscono segnali molto più chiari rispetto ai campi elettrici, poiché questi ultimi vengono notevolmente attenuati durante il tragitto dalla sorgente al sensore". La magnetoencefalografia (MEG) presenta vantaggi significativi rispetto all'elettroencefalografia (EEG), ma è raramente utilizzata a causa di ostacoli tecnici", spiega il dottor Jan Jeske, responsabile del progetto "NeuroQ" e ricercatore del Fraunhofer IAF. 

Gli ostacoli tecnici dei MEG risiedono nelle tecnologie dei sensori utilizzati: i sensori SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) sono altamente precisi, ma richiedono un raffreddamento a bassa temperatura, che rende il loro utilizzo estremamente costoso e complesso. I magnetometri a pompaggio ottico (OPM), basati su celle a vapore, superano addirittura la sensibilità degli SQUID, ma funzionano solo in un campo di zero assoluto - ciò significa che qualsiasi campo magnetico di fondo (compreso il campo magnetico terrestre) deve essere completamente schermato per il loro funzionamento, il che comporta anche un enorme sforzo costruttivo. 

"Ad oggi, non sono stati realizzati magnetometri che raggiungano una sensibilità in condizioni ambientali - cioè in ambienti non schermati - adatta a rilevare i campi neuromagnetici. Il progetto 'NeuroQ' supera in modo significativo lo stato dell'arte", riassume il Prof. Dr Jörg Wrachtrup, Capo del 3° Istituto di Fisica dell'Università di Stoccarda. 

Il sensore basato sul diamante consente l'uso in ambienti quotidiani 

La particolarità dei magnetometri quantistici che verranno sviluppati nel progetto "NeuroQ" è il loro materiale di base: si basano sui centri NV (centri di azoto-vacanza) nel diamante e quindi hanno proprietà uniche: I magnetometri quantistici in diamante sono gli unici magnetometri altamente sensibili che funzionano a temperatura ambiente o corporea. Misurano anche in presenza di un campo magnetico di fondo e possono determinare la direzione esatta di un campo magnetico (cioè tutte e tre le componenti del vettore). Sono anche biocompatibili e possono essere avvicinati alla sorgente, il che consente di ottenere segnali più forti.
Tutto ciò significa che i magnetometri quantistici a diamante potrebbero essere utilizzati in cliniche, ambulatori, ambienti di riabilitazione, ma anche a casa e nella vita di tutti i giorni, per migliorare in modo significativo la qualità della vita delle persone paralizzate e dare un contributo importante alla loro inclusione sociale. 

Progetto congiunto multidisciplinare

Poiché i magnetometri a diamante sviluppati finora non raggiungono ancora la sensibilità richiesta, inizialmente verranno realizzati nuovi magnetometri quantistici altamente sensibili, basati su un nuovo tipo di laser a diamante NV, nell'ambito di "NeuroQ". Il sistema di misurazione sarà poi sviluppato in un sistema BCI con la necessaria interfaccia di comunicazione e utilizzato per la dimostrazione, la valutazione e l'ulteriore sviluppo in un ambiente clinico presso la Charité di Berlino. Le start-up e le piccole e medie imprese (PMI) partecipanti non solo contribuiscono in modo significativo allo sviluppo, ma anche alla successiva commercializzazione della tecnologia, promuovendo così il trasferimento dei risultati in prodotti e applicazioni commerciabili. 

Il BMBF finanzia il progetto congiunto quinquennale nell'ambito del programma "Progetti faro nella tecnologia di misurazione quantistica per superare le sfide sociali" con un totale di quasi 9 milioni di euro.

I partner del progetto in sintesi: 

Fonte: Fraunhofer IAF

Contatto professionale:

Prof Dr Jörg Wrachtrup, Università di Stoccarda, 3° Istituto di Fisica, Tel. +49 711 685 65278, e-mail

Fonte: Utilizzo di sensori di diamante per controllare in modo più preciso gli esoscheletri neurali | Notizie | 24.01.2023 | Università di Stoccarda (uni-stuttgart.de) (26.01.2022)