Optimizing Noisy Galvanic Vestibular Stimulation Frequency Range for Enhancing Vestibular Perception and Manual Control Performance

Il corpo umano possiede un sofisticato sistema di navigazione interna, una rete di sensori nascosti nella parte profonda dell'orecchio interno che monitora costantemente come ci muoviamo e dove ci troviamo nello spazio. Questo sistema, noto come sistema vestibolare, ci permette di stare eretti senza guardare verso il basso, di camminare in linea retta e di percepire l'inclinazione della testa a occhi chiusi. Quando questo sistema vacilla, sia a causa dell'invecchiamento, di malattie o degli effetti disorientanti del volo spaziale, il risultato può essere una profonda perdita di equilibrio e un pericoloso' incapacità di controllare veicoli o macchinari. Gli scienziati esplorano da tempo modi per potenziare questo senso deboleggiato utilizzando una tecnica chiamata stimolazione vestibolare galvanica rumorosa. Questo metodo prevede il posizionamento di elettrodi dietro le orecchie e l'invio di un segnale elettrico molto debole e casuale attraverso la pelle. L'idea è che questo minuscolo bit di "statica" elettrica possa aiutare i sensori del cervello a rilevare il movimento più chiaramente, proprio come un po' di rumore di fondo può talvolta aiutare una persona a sentire un suono tenue che altrimenti perderebbe. Sebbene questo approccio abbia mostrato risultati promettenti nell'aiutare le persone con disturbi dell'equilibrio, i ricercatori non sono ancora concordi sul modo migliore per sintonizzare il segnale. Nello specifico, non erano sicuri se il rumore elettrico dovesse imitare i ritmi lenti e naturali del movimento umano o se un segnale più veloce e ad alta frequenza potesse funzionare meglio.

Un team di ricercatori della NASA e della KBR ha intrapreso l'obiettivo di risolvere questo enigma testando due diverse versioni di questo rumore elettrico su un gruppo di adulti sani. Volevano vedere se un segnale contenente solo suoni ad alta frequenza, compresi tra 10 e 30 hertz, sarebbe stato più efficace di un segnale contenente solo suoni a bassa frequenza, tra 0 e 2 hertz. L'intervallo a bassa frequenza è stato scelto perché si sovrappone alla velocità naturale con cui le persone oscillano e si inclinano, mentre l'intervallo ad alta frequenza si colloca ben al di sopra di tali movimenti naturali. Lo studio ha coinvolto diciotto volontari che sedevano in una speciale sedia motorizzata capace di inclinarli lateralmente e di farli scivolare a destra e sinistra. I partecipanti hanno eseguito tre compiti distinti mentre indossavano la stimolazione elettrica. Per prima cosa, dovevano indovinare la direzione di movimenti molto sottili che erano troppo piccoli per essere percepiti senza aiuto. In secondo luogo, hanno cercato di seguire una piattaforma in movimento con un joystick mantenendo gli occhi chiusi. Infine, hanno tentato di usare il joystick per annullare completamente il movimento, mantenendo la sedia perfettamente ferma nonostante la piattaforma cercasse di inclinarla. La stimolazione elettrica era impostata su una forza specifica di 300 microampere, un livello abbastanza forte da essere percepito dalla maggior parte delle persone ma non tale da causare dolore o contrazioni muscolari involontarie.

I risultati hanno rivelato una chiara preferenza per il segnale più veloce. Quando i ricercatori hanno analizzato quanto bene i partecipanti potessero rilevare la direzione dei movimenti sottili, la stimolazione ad alta frequenza ha migliorato significativamente le loro prestazioni. In media, i volontari riuscivano a rilevare inclinazioni e scivolamenti circa il 32 percento più piccoli rispetto a prima quando il segnale ad alta frequenza era attivo. Al contrario, il segnale a bassa frequenza non ha fornito alcun beneficio misurabile; la capacità dei partecipanti di percepire il movimento è rimasta la stessa di quando non ricevevano alcuna stimolazione. Questo reperto suggerisce che il rumore elettrico funziona meglio quando non imita il ritmo naturale dei movimenti del proprio corpo. Utilizzando una frequenza che è distinta dal lento oscillare della testa, il segnale ad alta frequenza può evitare di confondere i sensori del cervello, permettendo loro di cogliere il movimento reale in modo più efficace.

I vantaggi del segnale ad alta frequenza si sono estesi oltre la semplice rilevazione fino al controllo attivo. Quando i volontari hanno cercato di usare il joystick per mantenere la sedia in movimento stabile, la stimolaizone ad alta frequenza li ha aiutati a commettere meno errori e a mantenere una posizione più ferma. I loro movimenti sono diventati più precisi, con meno oscillazioni ed errori, rispetto a quando non ricevevano stimolazione o ricevevano il segnale a bassa frequenza. Interessantemente, la stimolazione a bassa frequenza non ha migliorato nemmeno questo compito di controllo manuale. Sebbene il segnale ad alta frequenza abbia reso i partecipanti migliori nel percepire il movimento e nel stabilizzare la sedia, non ha cambiato il modo in cui potevano semplicemente seguire un oggetto in movimento a occhi chiusi. Ciò indica che il beneficio del segnale ad alta frequenza è specifico per compiti che richiedono al cervello di interpretare il movimento e fare piccoli aggiustamenti, piuttosto che limitarsi a seguire un percorso.

Questi risultati offrono una nuova direzione per migliorare le prestazioni umane in situazioni in cui l'equilibrio è critico. Lo studio suggerisce che per compiti che coinvolgono movimenti lenti e passivi, come quelli sperimentati da astronauti o piloti, un segnale ad alta frequenza è uno strumento più affidabile rispetto a uno che imita il ritmo lento dell'oscillazione naturale. I ricercatori propongono che il segnale ad alta frequenza possa funzionare ingaggiando parti diverse della rete di elaborazione del cervello o evitando l'interferenza che si verifica quando la stimolazione coincide con le frequenze naturali del corpo. Sebbene lo studio sia stato condotto su adulti sani e abbia utilizzato una forza di stimolazione fissa, i risultati puntano verso una sintonizzazione specifica della tecnologia che potrebbe eventualmente aiutare gli astronauti a mantenere il controllo durante gli atterraggi lunari o assistere i piloti in condizioni di volo difficili. Il lavoro non pretende di aver risolto tutti i problemi di equilibrio, ma fornisce un passo concreto, basato sull'evidenza, verso l'ottimizzazione di come utilizziamo l'elettricità per affinare il nostro senso di dove ci troviamo nel mondo.