Interfacce neurali: principio di funzionamento e recenti sviluppi

A brain-computer interface (BCI) is a system that acquires, processes, and decodes the user's intentions through their brain signals, converting them into usable commands to control an artificial device, independently or only partially through physiological execution channels such as muscles and nerves. The user's signal flow is detected through dedicated sensors, undergoes a processing and classification process to extract relevant information, which in turn is used to generate a response in the form of feedback. BCI is an innovative technology that can be used in various applications, particularly in the biomedical field as a support for people with paralysis, but its potential usefulness in other areas should not be overlooked. This thesis provides an overview of neurophysiology, with a focus on the anatomy of the cerebral cortex and the various types of neural signals. Different techniques used to record neural activity are then discussed, including electroencephalography (EEG), functional magnetic resonance imaging (fMRI), near-infrared spectroscopy (NIRS), and invasive neural interfaces. The thesis then delves into Brain-Computer Interfaces, discussing their components, classifications, and operating principles. The final chapters cover brain-controlled technologies, including communication, movement and environmental control, and neurorehabilitation. The paper concludes with the future prospects of BCI research. Overall, the purpose of this thesis is to provide a comprehensive overview of neurophysiology, neural recording techniques, BCI technology, and brain-controlled technologies.

Un’interfaccia cervello-computer (dall’inglese brain-computer interface, BCI) è un sistema che acquisisce, elabora e decodifica le intenzioni dell'utente attraverso i suoi segnali cerebrali, convertendole in comandi utilizzabili per controllare un dispositivo artificiale, indipendentemente o solo parzialmente dai canali fisiologici di esecuzione costituiti dai muscoli e dai nervi. Il flusso di segnale dell'utente viene rilevato tramite sensori dedicati, subisce un processo di elaborazione e classificazione per estrarre le informazioni rilevanti, che a loro volta vengono utilizzate per generare una risposta sotto forma di feedback. La BCI è un'innovativa tecnologia che può essere impiegata in molteplici applicazioni, in particolare nel campo biomedico come supporto per le persone affette da paralisi, ma non va trascurata la sua potenziale utilità in altri ambiti. Questa tesi fornisce una panoramica sulla neurofisiologia, con un focus sull'anatomia della corteccia cerebrale e sui vari tipi di segnali neurali. Successivamente, vengono discusse le diverse tecniche utilizzate per registrare l'attività neurale, tra cui l'elettroencefalografia (EEG), la risonanza magnetica funzionale (fMRI) e la spettroscopia a infrarossi vicini (NIRS), nonché le interfacce neurali invasive. La tesi si addentra poi nelle Interfacce Cervello-Computer, discutendone i componenti, le classificazioni e i principi di funzionamento. I capitoli finali trattano le tecnologie azionate dal cervello, tra cui la comunicazione, il controllo del movimento e dell'ambiente e la neuroriabilitazione. L’elaborato si conclude con le prospettive future della ricerca sulle BCI. Nel complesso, lo scopo di questa tesi è fornire una panoramica completa sulla neurofisiologia, le tecniche di registrazione neurale, la tecnologia delle BCI e le tecnologie azionate dal cervello.