Per proteggere i conducenti e gli operatori di macchinari dai pericoli derivanti dal sonnolenza, gli ingegneri dell’Università della California, Berkeley, hanno creato un prototipo di auricolari in grado di rilevare i segnali di sonno nel cervello.
I dispositivi rilevano le onde cerebrali allo stesso modo di un elettroencefalogramma (EEG), un test che i medici usano per misurare l’attività elettrica nel cervello. Mentre la maggior parte degli EEG rileva le onde cerebrali usando una serie di elettrodi attaccati alla testa, gli auricolari lo fanno usando elettrodi integrati, progettati per entrare in contatto con il condotto uditivo. I segnali elettrici rilevati dagli auricolari sono più piccoli di quelli captati da un EEG tradizionale.
Tuttavia, in un nuovo studio, pubblicato sulla rivista scientifica «Nature Communications», i ricercatori dimostrano che la loro piattaforma Ear EEG è abbastanza sensibile da rilevare le onde alfa, un modello di attività cerebrale, che aumenta quando si chiudono gli occhi o si inizia ad addormentarsi.
«Ho trovato l’ispirazione quando ho acquistato il mio primo paio di AirPods nel 2017. Ho pensato subito, “Che piattaforma incredibile per la registrazione neurale”» afferma Rikky Muller, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso la UC Berkeley e autore senior dello studio. «Riteniamo che questo strumento abbia molti potenziali utilizzi e che la classificazione della sonnolenza sia un buon indicatore del fatto che la tecnologia può essere utilizzata per classificare il sonno e persino diagnosticare i disturbi del sonno».
L’eccessiva sonnolenza è associata approssimativamente (come causa diretta o concausa) a un quinto degli incidenti stradali ed è una delle principali cause di incidenti mortali in autostrada. Dormire meno di 5 ore per notte aumenta di 4,5 volte la probabilità di avere un incidente stradale. Stare svegli per 24 ore induce errori alla guida simili a quelli commessi da chi ha livelli di alcol nel sangue uguali o superiori a 1,00 g/l.
L’uso di un auricolare come elettrodo EEG pone però una serie di sfide pratiche. Per ottenere un EEG accurato, gli elettrodi devono avere un buon contatto con la pelle. Ciò è relativamente facile da ottenere negli EEG tradizionali, che utilizzano elettrodi metallici piatti attaccati al cuoio capelluto. Tuttavia, è molto più complicato progettare un auricolare che si adatti perfettamente e comodamente a un’ampia varietà di dimensioni e forme di orecchie.
Quando il team di Muller ha iniziato a lavorare al progetto, in parte sostenuto dal Ford University Research Program e dal Bakar Spark Award, altri gruppi impegnati nello sviluppo di piattaforme Ear EEG avevano già ideato degli auricolari simili, ovviando al problema con un gel umido per elettrodi, per garantire una buona tenuta tra l’auricolare stesso e il condotto uditivo, oppure creavano auricolari personalizzati per ogni singolo utente.
L’idea innovativa del progetto era quella di creare un modello asciutto e generico per l’utente, in modo che chiunque potesse inserirli nelle orecchie e ottenere letture affidabili. «Il mio obiettivo personale era provare a realizzare un dispositivo che potesse essere utilizzato ogni giorno da qualcuno che ne avrebbe realmente tratto beneficio» aggiunge Ryan Kaveh, borsista post-dottorato presso l’UC Berkeley e co-primo autore dello studio. «Per riuscirci, sapevo che avrebbe dovuto essere riutilizzabile, adatto a una varietà di persone e facile da produrre».
Kaveh ha co-diretto lo studio con il suo team, progettando l’auricolare finale in tre misure: piccola, media e grande. Esso incorpora più elettrodi in un design a sbalzo, che applica una delicata pressione verso l’esterno al condotto uditivo e utilizza componenti elettronici flessibili, per garantire una vestibilità confortevole. I segnali vengono letti tramite un’interfaccia elettronica wireless personalizzata a basso consumo.
In un articolo scientifico del 2020, i ricercatori hanno dimostrato che questi auricolari possono rilevare una serie di segnali fisiologici, tra cui ammiccamenti, onde cerebrali alfa e la risposta uditiva allo stato stazionario, che è la risposta del cervello all’ascolto di un tono costante. Nel nuovo studio, hanno migliorato il design dell’auricolare e hanno incorporato l’apprendimento automatico per dimostrare come gli auricolari potrebbero essere utilizzati in un’applicazione nel mondo reale.
Come parte dell’esperimento, hanno chiesto a nove volontari di indossare gli auricolari mentre svolgevano una serie di compiti noiosi in una stanza buia. Ogni tanto, ai volontari è stato chiesto di valutare il loro livello di sonnolenza e sono stati misurati i loro tempi di risposta. «Abbiamo scoperto che anche quando la qualità del segnale degli auricolari sembrava peggiore, potevamo comunque classificare l’insorgenza della sonnolenza con lo stesso livello di accuratezza di sistemi molto più complicati e ingombranti», conclude Kaveh.