Talamo: un sistema in tempo reale per la acquisizione sincronizzata e a ciclo chiuso di dati comportamentali e elettrofisiologici multimodali

Perché è importante monitorare insieme cervello e corpo

La chirurgia cerebrale moderna e le interfacce cervello–computer dipendono dall’osservare contemporaneamente e con grande precisione ciò che fanno il cervello e il corpo. Tuttavia, in una sala operatoria affollata, macchinari diversi monitorano separatamente cervello, muscoli, cuore e movimento, spesso senza un orologio condiviso. Questo articolo presenta Talamo, un sistema software open che riunisce tutti questi segnali in tempo reale, aiutando medici e ricercatori a comprendere meglio come l’attività cerebrale si leghi al comportamento e come testare in sicurezza nuove terapie.

Un unico hub per molti segnali

Talamo è progettato come un hub centrale che può ascoltare molti tipi di sensori già presenti negli ospedali, come elettrodi cerebrali, guanti per motion capture, videocamere e monitor cardiaci. Invece di trattare ogni dispositivo come un’isola, Talamo marca temporalmente ogni flusso al suo arrivo in modo che onde cerebrali, movimenti della mano e altre misure possano essere allineati fino a frazioni di millisecondo. Questa visione sincronizzata è particolarmente preziosa durante procedure neurochirurgiche brevi e delicate, dove c’è poco spazio o tempo per hardware aggiuntivo.

Com’è costruito il sistema

Per sostenere il grande flusso di dati, Talamo utilizza un design a due livelli. Un livello Python accessibile gestisce il pannello di controllo e lo schermo dell’esperimento visti dal ricercatore e dal paziente. Un livello C++ più veloce si occupa del lavoro gravoso di acquisire i dati dai dispositivi, farli passare attraverso una catena di passaggi di elaborazione e salvarli. Questi passaggi sono organizzati in nodi modulari, ognuno dei quali può acquisire, trasformare o memorizzare dati. I ricercatori possono combinare i nodi per collegare nuovi sensori, calcolare misure semplici come la potenza del segnale o attivare altri dispositivi, il tutto mantenendo il sistema stabile e reattivo.

Feedback in tempo reale e sicurezza

Un obiettivo chiave di Talamo è chiudere il ciclo tra rilevamento e azione. Il software può monitorare i segnali in arrivo, eseguire calcoli in tempo reale e inviare feedback tempestivi, come controllare una mano virtuale o attivare apparecchiature per la stimolazione cerebrale. Gli autori hanno misurato i tempi di questi cicli mediante una serie di test su banco. Dimostrano che Talamo può rilevare un cambiamento e rispondere in molto meno di un millisecondo all’interno del software, e nell’ordine di un millisecondo includendo schede di acquisizione dati comuni. L’uso attento di strumenti di comunicazione moderni aiuta il sistema a rilevare errori, evitare la perdita di dati e recuperare quasi tutte le informazioni anche se un processo del computer si interrompe improvvisamente.

Validazione in laboratorio e in sala operatoria

Il team ha verificato che Talamo mantenga allineati i diversi flussi di dati costruendo semplici circuiti di test e combinandoli con guanti per motion capture e videocamere. Quando un pulsante veniva rilasciato, l’aumento di tensione, il movimento registrato del dito e la variazione di luce di un LED corrispondevano entro poche millesimi di secondo. Hanno inoltre messo sotto stress il sistema aumentando i frame rate video e calcolando riassunti dettagliati dei segnali cerebrali, constatando che la sincronizzazione restava stretta anche con l’aumentare del carico di lavoro. Infine, hanno portato Talamo in sala operatoria per pazienti sottoposti a interventi di stimolazione cerebrale profonda. Lì il software ha registrato movimenti fini della mano insieme ai segnali provenienti da elettrodi in una regione profonda del cervello legata al movimento, rivelando la prevista diminuzione di certa attività ritmica cerebrale mentre i pazienti muovevano le mani.

Cosa significa per la cura dei pazienti e la ricerca

Dal punto di vista divulgativo, Talamo funge da direttore d’orchestra altamente preciso, mantenendo sincronizzati molti “strumenti” medici in modo che le complesse interazioni tra cervello e corpo possano essere viste chiaramente invece che dedotte a posteriori. Poiché si appoggia all’attrezzatura ospedaliera esistente, è open source ed è stato testato sia su banco sia in interventi reali, Talamo abbassa la barriera per condurre esperimenti ricchi e basati sui dati in contesti clinici. Col tempo, tali viste sincronizzate di segnali cerebrali e comportamento potrebbero favorire interfacce cervello–computer e terapie più personalizzate, rendendo più semplice adattare i trattamenti a ciascun individuo senza aggiungere rischi o oneri in sala operatoria.

Citazione: Haggerty, J., Qureshi, Q., Gabriel, E.D. et al. Thalamus: a real-time system for synchronized, closed-loop multimodal behavioral and electrophysiological data capture. Commun Eng 5, 93 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00646-z

Parole chiave: neuroscienze multimodali, interfaccia cervello-computer, acquisizione dati neurochirurgici, registrazione neurale in tempo reale, neuromodulazione a ciclo chiuso