Interfacce cervello-computer (BCI): un'analisi sugli elettrodi utilizzati nelle BCI invasive e non invasive

Brain-computer interfaces (BCIs) are means of direct communication between brain signals and an external device, such as a computer, a robot, a wheelchair or an artificial limb. Due to their ability to translate the information recorded by the encephalon through invasive intra-cortical or non-invasive electrodes located on the scalp into actual commands, their use is extended to various fields, from medicine, where they help people with motor deficits and brain diseases, to the work field and entertainment. The main purpose of this thesis is an analysis of the challenges regarding non-invasive BCIs, in particular those that exploit the electroencephalogram (EEG), such as the BCI based on P300 event-related potentials, BCI based on motor imagery (MI) or event-related desynchronisation/synchronisation (ERD/ERS), and BCI based on steady-state visual evoked potentials (SSVEP), and invasive BCI such as electrocorticography (ECoG), and then focus on the challenges regarding invasive and non-invasive electrodes. At first, brain-computer interfaces (BCIs) are introduced by describing the anatomical and electrophysiological principles that are linked to their operation, such as the encephalon and the evoked potentials, and then specifying the psychophysiological, neurological and electrode-related challenges. Afterwards, the discussion focuses on non-invasive BCIs, explaining the acquisition modalities, the signal processing and the different paradigm types that have been implemented, and on invasive BCIs, in particular ECoG, listing the process of recording brain activity, the application limitations due to the invasiveness of this technique and the advantages it offers compared to non-invasive BCIs. The last part deals, to a first approximation, with the state of the art of non-invasive electrodes, such as gel electrodes, used in the standard, semi-dry and dry electrodes, and invasive electrodes, such as microwire microelectrodes. We come to the conclusion that BCI research still has limitations that it must try to overcome in order to be accessible outside the experimental laboratories, hampered by issues concerning the health and BCI literacy of the patient, the need for algorithms capable of extracting features to be processed that are independent from individual to individual, and non-toxic electrodes with stable impedance levels to provide an optimal signal quality.

Le interfacce cervello-computer (BCI) si pongono come mezzo di comunicazione diretta tra i segnali derivanti dall’attività cerebrale ed un dispositivo esterno, quale un computer, un robot, una sedia a rotelle o un arto artificiale. Proprio per la possibilità di tradurre l’informazione registrata dall’encefalo attraverso elettrodi invasivi intra-corticali o non invasivi localizzati sullo scalpo in veri e propri comandi, il loro impiego è esteso a vari ambiti, a partire dalla medicina, dove sono d’ausilio a persone con deficit motori e malattie cerebrali, fino al mondo del lavoro e dell’intrattenimento. L’obiettivo principale di questa tesi consiste in un’analisi delle sfide riguardanti le BCI non invasive, in particolare quelle che sfruttano l’elettroencefalogramma (EEG), come la BCI basata su potenziale correlato agli eventi P300, la BCI basata su immaginazione motoria (MI) o desincronizzazione/sincronizzazione correlata all’evento (ERD/ERS) e la BCI basata su potenziali evocati visivi allo stato stazionario (SSVEP), e le BCI invasive come l’elettrocorticografia (ECoG), per poi concentrarsi sulle sfide relative agli elettrodi invasivi e non invasivi. In un primo momento, si introducono le interfacce cervello-computer (BCI) descrivendo i principi anatomici ed elettrofisiologici che stanno alla base del loro funzionamento, quali l’encefalo ed i potenziali evocati, per poi specificare le sfide psicofisiologiche, neurologiche e quelle che riguardano direttamente gli elettrodi. Successivamente, si focalizza la trattazione sulle BCI non invasive, esplicando le modalità di acquisizione, l’elaborazione del segnale e le diverse tipologie di paradigma che sono state implementate, e sulle BCI invasive, in particolare l’ECoG, elencando il processo di registrazione dell’attività cerebrale, le limitazioni di applicazione dovute all’invasività di questa tecnica ed i vantaggi che questa offre rispetto alle BCI non invasive. L’ultima parte tratta, in prima approssimazione, lo stato dell’arte degli elettrodi non invasivi, come gli elettrodi con gel, utilizzati nello standard, gli elettrodi semi-asciutti e gli elettrodi secchi, e gli elettrodi invasivi, come i microelettrodi a microfilo. Si perviene a verificare che la ricerca sulle BCI ha ancora delle limitazioni che deve cercare di oltrepassare per essere accessibile anche al di fuori dei laboratori di sperimentazione, ostacolata da problematiche concernenti la salute e l’alfabetizzazione BCI del paziente, la necessità di avere a disposizione algoritmi in grado di estrarre caratteristiche da elaborare che siano indipendenti da individuo a individuo e di elettrodi atossici con livelli di impedenza stabili per fornire un segnale di qualità ottimale.