Auricolari per Monitorare il Cervello e il Corpo

Auricolari Intelligenti per Monitorare il Cervello e il Corpo

Quando inseriti nel canale uditivo, gli auricolari si trovano in prossimità fisica del cervello, consentendo la registrazione di segnali neurali di alta qualità noti come elettroencefalografia (EEG) in un formato discreto, secondo il professor Rikky Muller dell’Università della California, Berkeley (UC Berkeley), co-direttore del Berkeley Wireless Research Center e vincitore del premio Bakar Prize per il suo lavoro su Ear EEG, un metodo per misurare la dinamica dell’attività cerebrale attraverso i minimi cambiamenti di tensione rilevabili sulla pelle.

“Ear EEG è estremamente promettente; infatti, il mercato globale degli auricolari intelligenti sta crescendo più velocemente di qualsiasi altro indossabile, inclusi gli smartwatch”, ha detto Muller. “L’interno del canale uditivo è posizionato in modo unico vicino al cervello, agli occhi e ai muscoli del viso, consentendo la registrazione dei movimenti degli occhi e della mandibola oltre all’EEG. La combinazione di questi segnali consentirà il monitoraggio della sonnolenza, del sonno, delle crisi, della demenza e altro ancora”.

Gli auricolari per la registrazione EEG sono pronti per il mercato medico grazie a NextSense, una start-up di Google X. Ha dichiarato Jonathan Berent, CEO e fondatore di NextSense: “I nostri auricolari sono più vicini al lobo temporale del cervello, una regione importante per il linguaggio e l’elaborazione uditiva. Di conseguenza, NextSense spera di monitorare condizioni come lesioni cerebrali traumatiche, disturbi del sonno e epilessia, nonché prevedere l’insorgenza di condizioni neurodegenerative come ictus, Alzheimer e malattie di Parkinson”.

NextSense sta conducendo trial clinici utilizzando l’EEG auricolare per diagnosticare e monitorare i disturbi del sonno e l’epilessia dal 2019. Berent prevede che i risultati di questi trial saranno pubblicati su riviste scientifiche peer-reviewed nel 2024.

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All’Università della California, San Diego (UC San Diego) Jacobs School of Engineering, il laboratorio del professor Gert Cauwenberghs del Dipartimento di Bioingegneria sta pubblicando su riviste scientifiche peer-reviewed il loro lavoro pionieristico nel rilevamento dei molti segnali disponibili nel canale uditivo. Oltre ai dati dell’EEG cerebrale, il laboratorio di Cauwenberghs sta esplorando il monitoraggio dell’attività muscolare (utilizzando l’elettromiografia, o EMG), la conducibilità della pelle (utilizzando l’attività elettrodermica, o EDA), i movimenti degli occhi (utilizzando l’elettrooculografia, o EOG), oltre alla frequenza cardiaca, alla saturazione di ossigeno nel sangue e a una moltitudine di biomarcatori chimici secreta dal sudore per potenziali inclusioni future negli auricolari medici.

“La nostra visione è creare uno standard diagnostico per tutti gli stati cerebrali/corporei che possono essere rilevati nel canale uditivo, trasformando gli auricolari in potenti dispositivi di rilevamento cerebrale/corporeo”, ha detto Cauwenberghs.

Il gruppo di ricerca di Cauwenberghs all’UC San Diego ha recentemente dimostrato la loro rivendicazione del primo prototipo di auricolare a prova di concetto al mondo, mostrando come il canale uditivo può monitorare sia i biomarcatori elettrici che chimici. Gli auricolari prototipo attuali monitorano contemporaneamente l’attività elettrica (EEG, EMG, EDA ed EOG) e i livelli di biomarcatori chimici (in particolare i livelli di lattato nel sudore). Durante l’esercizio vigoroso (su una bicicletta stazionaria), gli strumenti di monitoraggio hanno rilevato e registrato una correlazione diretta tra i livelli elevati di lattato nel sudore e la modulazione dell’attività elettrica. In questo modo, i ricercatori hanno dimostrato che il monitoraggio nell’orecchio dei biomarcatori metabolici e elettrici può essere liberato dall’ingombrante attrezzatura e dai test del sangue eseguiti dai laboratori medici oggi. Sensori elettrici e chimici simultanei, afferma Cauwenberghs, possono essere correlati dagli auricolari intelligenti durante il monitoraggio continuo della salute, la diagnosi e, in futuro, persino la terapia.

Gli auricolari sono già ampiamente utilizzati con gli smartphone e il prototipo del laboratorio Cauwenberghs ne ha approfittato aggiungendo i loro sensori elettrici e biochimici a un set di auricolari disponibile in commercio. Il primo passo è stato individuare le posizioni ideali per ciascun elettrodo del sensore sulla superficie esterna dell’auricolare commerciale. Una volta completato questo layout e tagliato uno stencil, il team ha utilizzato una stampante serigrafica strato per strato per depositare gli strati attivi su un substrato di poliuretano tereftalato (TPU) flessibile spesso 150 micron.

Le tracce conduttive, disposte in un pattern serpentina per la flessibilità, utilizzavano inchiostro d’argento (Ag), quindi le tracce erano coperte da uno strato isolante (tranne alle estremità dove gli elettrodi di rilevamento ricevevano uno strato Ag migliorato). Le tracce biochimiche venivano posizionate e potenziate con uno strato di idrogel che facilitava la raccolta del sudore. Per la rilevazione chimica, una tecnica di elettrochimioamperometria cronocatalitica (CA) potenziata da catalizzatore genera una corrente di rilevazione proporzionale alla concentrazione di lattato nel sudore.

Per il prototipo, il substrato flessibile, stratificato con i sensori elettrici e biochimici, veniva fissato sulla superficie esterna degli auricolari disponibili in commercio in modo che i loro elettrodi toccassero il canale uditivo nelle loro posizioni ideali prestabilite. Per la produzione, l’elettronica per rilevare le tensioni EEG e la corrente CA sarebbe stata integrata all’interno degli auricolari, ma per il prototipo l’elettronica era montata esternamente. Il gruppo aveva dimostrato in un lavoro precedente che l’elettronica necessaria può essere alloggiata all’interno di un auricolare utilizzando un chip CMOS personalizzato a 65 nanometri che consuma solo 0,8 microwatt.

Il team dell’UC San Diego mira a chiudere il ciclo di feedback dai segnali diagnostici emessi dal cervello rispondendovi con suoni terapeutici introdotti nel cervello. “Il nostro prossimo passo è convalidare clinicamente su un vasto campione di popolazione una serie di applicazioni diagnostiche e terapeutiche basate sugli auricolari”, ha dichiarato Cauwenberghs.

I obiettivi diagnostici dell’UC San Diego sono monitorare le interazioni tra le letture dal cervello degli auricolari, i segni vitali e i biomarcatori chimici in ambienti reali, correlando i pattern di onde cerebrali elettriche con i biomarcatori chimici del corpo.

L’obiettivo terapeutico, secondo Yuchen Xu, ex ricercatore post-dottorato del progetto presso l’UC San Diego e ora scienziato di ricerca presso Aizip, è promuovere un miglioramento della funzione cerebrale potenziando la neuroplasticità (la formazione di nuove sinapsi) e l’angiogenesi (la formazione di nuovi vasi sanguigni). Utilizzando il ciclo di feedback del monitoraggio del cervello/corpo seguito dalla stimolazione appropriata con auricolari intelligenti, si spera di raggiungere l’obiettivo finale di diagnosticare lo stato del cervello/corpo, apprendere le risposte terapeutiche e fornire tale feedback attraverso gli auricolari per migliorare le condizioni del cervello/corpo.

“Il piano è misurare la condizione del cervello/corpo delle persone e scoprire quali feedback le guidano verso un miglior benessere”, ha detto Xu.

Condizioni mediche come l’acufene, ad esempio, potrebbero essere trattate chiudendo intelligentemente il ciclo di feedback con suoni appropriati degli auricolari. Anche le malattie cardiovascolari potrebbero essere mitigare con la terapia di feedback degli auricolari, secondo Cauwenberghs. Analogamente, i disturbi del sonno potrebbero beneficiare della chiusura del ciclo di feedback con suoni che stimolano le appropriate onde cerebrali.

“Un sonno più profondo è una delle cause sottovalutate della cattiva salute con l’avanzare dell’età, e non c’è modo migliore di migliorarlo che riprodurre suoni che guidano il cervello verso un sonno più profondo”, ha affermato Cauwenberghs. “È anche possibile guidare il cervello verso sensazioni più piacevoli durante la veglia.”

L’ASMR (risposta autonoma del meridiano sensoriale), ad esempio, è una popolare tecnica di rilassamento che riproduce “trigger” udibili per ridurre lo stress e indurre buoni sentimenti. Attualmente l’ASMR è a ciclo aperto, costringendo coloro che cercano sollievo a sperimentare con oltre 25 milioni di tracce audio ASMR online. Ma utilizzando auricolari intelligenti per chiudere il ciclo di feedback, un algoritmo potrebbe imparare a riprodurre esattamente i trigger giusti per ogni individuo specifico, secondo Cauwenberghs.

R. Colin Johnson è un ricercatore premiato con il Kyoto Prize che ha lavorato come giornalista tecnologico per due decenni.